Нанонаука в Сибири: детонационные наноалмазы

Детонационные наноалмазы: новые наноматериалы и нанотехнологии для биологии и медицины.

 

Из выступления члена-корреспондента РАН А.Г. Дегерменджи на Общем собрании Сибирского отделения Российской Академии Наук (СО РАН).

 

В последние годы заметно вырос интерес к изучению путей и возможностей применения частиц нанометровых размеров в качестве новых материалов в различных областях биологии и медицины. В данном случае несомненный интерес могут представлять частицы наноалмаза (НА), получаемые при детонации сильных взрывчатых веществ. Неоспоримый приоритет в разработке метода детонационного синтеза НА принадлежит России. До недавнего времени НА являлись традиционным объектом исследования для специалистов, работающих в области физики и химии твердого тела, материаловедения, электроники, электрохимии, техники. В то же время физико-химические свойства НА позволяют прогнозировать перспективность использования данного наноматериала в области биологии и медицины.

 

Наноалмазы обладают рядом важных физико-химических свойств: размер алмазного ядра первичных частиц равен 4-6 нм, что обеспечивает высокоразвитую поверхность материала (до 420 м2/г); на поверхности присутствуют различные химически активные функциональные группы, углеводородные фрагменты, микропримеси металлов; наноалмазы обладают химической устойчивостью к агрессивным факторам и механической прочностью. Очевидно, что материал с такими свойствами должен обладать превосходными сорбционными свойствами к различным соединениям биологической и небиологической природы. Из общих недостатков данного наноматериала, с точки зрения медико-биологических исследований, следует выделить низкую коллоидную устойчивость наночастиц в дисперсионных средах, широкий размерный диапазон кластеров наночастиц, невозможность восстановления свойств после получения сухих порошков и замораживания гидрозолей.

 

В ИБФ СО РАН получены модифицированные наноалмазы (МНА), обладающие высокой коллоидной устойчивостью в дисперсионных средах и адаптированные для биологических и медико-биологических исследований, которые не имеют мировых аналогов. Эти наноматериалы получают, применяя технологии дополнительной очистки наночастиц, позволяющие снизить поверхностные примеси металлов и органики. Наличие таких наноматериалов открывает возможности всесторонних исследований биологического и медико-биологического характера. Основными направлениями исследований, которые проводятся ИБФ СО РАН, являются: создание и применение наноалмазных сорбентов для выделения и очистки белков; создание индикаторных тест-систем на основе комплексов наноалмаз-маркерный белок (белки); изучение воздействия наноалмазов на сложноорганизованные биологические системы с целью оценки возможности их использования как энтеросорбента и носителя лекарственных препаратов. Разработаны методы выделения и очистки белков в объеме, доочистки белковых препаратов, а также препаративного выделения белков объемным методом с помощью НА. Исследования проведены в ходе выполнения Государственного контракта в рамках Федеральной целевой программы в области наносистем и материалов по критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы».

 

Не менее перспективным является применение НА в создании сорбентов для колоночной хроматографии белков. В ходе выполнения государственного контракта на основе инертной полисахаридной матрицы и МНА создан сорбент для колоночной хроматографии низкого давления. Возможность его практического применения показана на примере выделения и очистки светоизлучающего фермента люциферазы из грубых экстрактов клеток-продуцентов. Проведенные исследования позволили выявить некоторые ключевые механизмы взаимодействия белковых молекул с поверхностью наночастиц (образование ковалентных связей, например, -S-S- мостиков; образование координационных связей белок-металл; ионообменные взаимодействия; гидрофобные взаимодействия; многоточечное связывание с участием нескольких механизмов). Исходя из этого, НА можно рассматривать как полифункциональный адсорбент для применения в белковой химии, который позволяет проводить разные типы хроматографий. Надо отметить, что такой универсальностью не обладает ни один из сорбентов, выпускаемых ведущими фирмами. К преимуществам применения алмазных наноматериалов как сорбентов при объемных методах выделения белков относятся: быстрота — при наличии исходного экстракта вся процедура занимает не более 30-60 минут; простота — из процесса исключено специализированное хроматографическое оборудование; эффективность — выход высокоочищенных и гомогенных целевых продуктов составляет от 35 до 60%; возможность многократного использования НА для очистки белка; возможность параллельно выделению белка проводить его концентрирование.

 

Не менее перспективным и многообещающим является применение наночастиц в создании индикаторных и диагностических тест-систем (прототипов биочипов) для биологии и медицины. Нами установлено, что ферменты, адсорбированные на частицах НА, могут сохранять свою каталитическую функцию. Это явилось предпосылкой для создания плоскостных индикаторных тест-систем, в которых сенсорным элементом являются частицы НА, несущие на своей поверхности адсорбированные маркерные белки. В качестве примера приведен светоизлучающий белок обелин. Показана возможность применения полученных тест-систем в биолюминесцентном микроанализе и создания на основе МНА и ферментов многокомпонентных комплексов многоразового использования, которые могут найти применение в медицинской диагностике. Кроме того, установлена возможность одновременной адсорбции на поверхности наночастиц трех ферментов, входящих в состав наборов («Вектор») для определения холестерина. Установлено, что все ферменты сохраняют свою каталитическую функцию, а полученный комплекс может использоваться многократно для определения холестерина.

 

Приведенные данные свидетельствуют о перспективах применения детонационных НА в различных областях биологии. В то же время весьма велика вероятность, что частицы НА могут найти применение и в области медицины. Например, использоваться как адсорбенты для выведения из организма (или удаления с его поверхности) нежелательных и токсичных соединений (продукты метаболизма, тяжелые металлы, радионуклиды, ксенобиотики), как носители препаратов, применяемых в лечебных целях (лекарства, ферменты, изотопы и т.д.). Работы в данном направлении стали возможны благодаря получению МНА — это открыло возможности разноплановых исследований (особенно длительных) по изучению воздействия наночастиц на сложноорганизованные биологические системы, включая организмы экспериментальных животных. МНА позволили получать золи с точной концентрацией частиц, проводить их стерилизацию и применять в медико-биологических экспериментах. Уже сейчас имеются препараты коллоидно-устойчивых стерильных золей МНА, которые позволяют проводить все виды инъекций (подкожные, внутримышечные, внутривенные), полностью заменять воду в рационе животных на гидрозоли частиц в ходе длительных экспериментов.

 

В ходе медико-биологических исследований на мышах показано, что пероральное введение животным наночастиц с гидрозолями в течение шести месяцев не вызывает гибели животных, не отражается на их росте и динамике веса отдельных органов, не влияет на репродуктивную функцию, приводит к изменению биохимии и количеству лейкоцитов крови. Наблюдаемые эффекты связаны с энтеросорбцией и, вероятно, неспецифическим иммунным ответом организма животных. В экспериментах на крысах показано, что при внутримышечных инъекциях гидрозолей МНА животные не погибают, наночастицы локализованы в мышечной ткани в виде гелеобразного сгустка в месте инъекции, нет явно выраженных признаков воспалительного процесса (подтверждается визуальными наблюдениями и гистологическими исследованиями). При подкожных инъекциях мышам установлено, что частицы также локализованы в месте инъекций, образуют кластеры в межклеточных пространствах. По данным электронной микроскопии деструкции клеток не отмечается. В экспериментах, выполненных на собаках и кроликах, было показано, что при внутривенном введении стерильных золей МНА в глюкозе с использованием широкого диапазона концентраций частиц и вводимых доз препаратов животные не погибают. По данным ЭКГ и УЗИ, полученным в экспериментах, несовместимых с жизнью изменений в характере сердечной деятельности и состоянии внутренних органов животных не отмечается.

 

Таким образом, в целом результаты медико-биологических исследований свидетельствуют в пользу биосовместимости и малой токсичности наночастиц алмаза. Это позволяет прогнозировать перспективность их использования как нового наноматериала медицинского назначения (энтеросорбенты и носители лекарственных препаратов). Продолжение начатых исследований нам представляется вполне оправданным. Целесообразно проводить их в следующих направлениях: разработка и создание на основе НА новых нанотехнологий и новых наноматериалов для выделения белков, их адаптация и внедрение в промышленное производство белковых препаратов; изучение взаимодействия НА с молекулами ДНК с целью применения наночастиц в новых технологиях для генной инженерии; изучение возможностей транспорта биомакромолекул и веществ с помощью НА через мембраны к биологическим мишеням; изучение влияния НА на сложноорганизованные биологические системы, включая организмы животных и человека; разработка и создание биосенсорных систем на основе комплексов НА-маркерные биомолекулы; изучение возможностей применения НА как новых наноматериалов медицинского назначения (энторосорбенты, носители лекарственных препаратов).

 

Источник: pine.ict.nsc.ru