Ученые проследили путь наночастиц из легких в организм
С помощью новой системы визуализации в реальном времени ученые отследили перемещение группы флуоресцентных наночастиц в ближнем инфракрасном диапазоне из воздушных пространств легких в организм и обратно. Это позволило описать характеристики и поведение этих мельчайших частиц, что может быть использовано при разработке терапевтических агентов для лечения легочных заболеваний, а также для лучшего понимания влияния загрязнения воздуха на здоровье.
Исследование под руководством специалистов из Медицинского центра Бет Исраэл Деконесс (BIDMC) и Гарвардской школы общественного здравоохранения опубликовано 7 ноября в онлайн-версии журнала Nature Biotechnology.
Наночастицы размером от 1 до 100 нанометров (нм) — одной миллиардной метра — слишком малы, чтобы быть видимыми в традиционный микроскоп. Но этот крайне малый размер делает их потенциальными кандидатами для целевой доставки лекарств, способными точно находить источники болезни с повышенной эффективностью и минимальными побочными эффектами для окружающих тканей.
«Наночастицы обещают стать терапевтическими агентами при ряде заболеваний», — объясняет соавтор Джон В. Франджони, доктор медицины и философии. Анатомия легких, с их большой площадью поверхности и минимальными барьерами, ограничивающими доступ в организм, делает этот орган особенно хорошей мишенью для доставки лекарств с помощью наночастиц.
«Нас интересовала судьба мелких частиц после их осаждения глубоко в газообменной области легкого», — добавляет соавтор Акира Цуда, доктор философии. «Определение физико-химических характеристик вдыхаемых наночастиц, влияющих на их способность пересекать альвеолярный эпителиальный барьер легких, — важный шаг к пониманию биологических эффектов, связанных с воздействием этих частиц».
Предыдущая работа Франджони и первого автора Хака Су Чоя, доктора философии, установила характеристики наночастиц, регулирующие их выведение из организма. «Чтобы иметь клиническую ценность, наночастицы должны либо биодеградировать в биологически инертные соединения, либо эффективно выводиться из организма», — говорит Чой, объясняя, что накопление наночастиц может быть токсичным.
Целью этого нового исследования было определить характеристики и параметры вдыхаемых наночастиц, которые опосредуют их поглощение организмом — из внешней среды, через альвеолярную поверхность легких в лимфатическую систему и кровоток и, в конечном итоге, в другие органы. Для этого ученые использовали систему визуализации FLARE™, систематически изменяя химический состав, размер, форму и поверхностный заряд группы наночастиц, а затем отслеживая их перемещение в легких модельных крыс в течение часа.
«Система FLARE позволила нам сократить количество экспериментов вдвое, одновременно проводя прямое сравнение наночастиц разного размера, формы и жесткости», — объясняет Франджони.
Их результаты показали, что неположительно заряженные наночастицы диаметром менее 34 нм появлялись в дренирующих легкие лимфатических узлах в течение 30 минут. Также было обнаружено, что наночастицы диаметром менее 6 нм с "цвиттерионными" характеристиками (равный положительный и отрицательный заряд) достигали дренирующих лимфоузлов в течение нескольких минут, а затем выводились почками с мочой.
«Эти новые данные можно применить для проектирования и оптимизации частиц для доставки лекарств с помощью ингаляционной терапии», — отмечает Цуда. «Это исследование также направляет нас в оценке воздействия на здоровье различных загрязняющих частиц, поскольку данные свидетельствуют о важности выделения конкретных подклассов частиц [на основе поверхностной химии и размера], которые могут быстро пересекать альвеолярный эпителий и распространяться в организме».
«Это исследование дополняет нашу более раннюю работу, в которой мы определили характеристики наночастиц, регулирующие их эффективное выведение из организма, — добавляет Франджони. — С этими новыми результатами, которые определяют характеристики, регулирующие поглощение организмом, мы теперь описали полный "цикл" перемещения наночастиц — из окружающей среды через легкие в организм, затем из почек с мочой и обратно в окружающую среду».