Нейтроны раскрывают потенциальные опасности золотых наночастиц — агентов доставки лекарств будущего

Учёные из Института Лауэ-Ланжевена показали, что заряд золотых наночастиц, рассматриваемых крупными фармацевтическими компаниями как агенты доставки лекарств будущего для лечения рака, влияет на их взаимодействие с защитной внешней стенкой клетки. Эти ключевые выводы, опубликованные в Langmuir, являются первым шагом к эффективному проектированию безопасных наночастиц для биомедицинских применений.

Растущее использование наночастиц (крошечных частиц материала размером в 1 миллионную часть песчинки) в коммерческих продуктах, таких как одежда, контейнеры для хранения пищи, фармацевтика, косметика, шины, электроника и оптические устройства, вызывает споры. Распространённые наночастицы, такие как золото, серебро и медь, легко проникают через органические мембраны (клеточные стенки), создавая потенциально значительное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.

Однако есть одна область, где их токсичность может оказаться полезной и даже спасительной. Основная проблема современной медицины — поиск агентов доставки, способных нацеливаться на клетки и проникать в них для транспортировки лекарств непосредственно внутрь инфицированной ткани. Это привело к появлению новой области исследований — «наномедицины», где наночастицы можно запрограммировать нацеливаться, например, на раковые клетки, уменьшая или даже устраняя необходимость хирургического вмешательства.

Из всех наночастиц, доступных медицинской науке, золото стало основным фокусом исследований крупных фармацевтических компаний. Например, AstraZeneca в прошлом году объявила о новом исследовательском проекте по изучению наномедицинского препарата CYT-6091 на основе золотых наночастиц.

Золотые наночастицы являются особенно хорошими средствами доставки, потому что:

• Их легко «нагружать» другими молекулами, например, существующими противораковыми препаратами.
• Их легко производить.
• Они химически стабильны внутри организма.
• Они обладают уникальным набором оптических, электронных и термических свойств, что позволяет легко «включать» их внутри организма по прибытии в нужное место.

Однако в настоящее время мы не понимаем в деталях механизмы взаимодействия между наночастицами и внешней защитой клетки — клеточной мембраной. Без этого невозможно определить, насколько они опасны и можно ли когда-либо использовать их способность проникать и разрушать клетки во благо, например, в борьбе с раком.

Известно, что существует сложный набор параметров, влияющих на это взаимодействие, включая форму, размер, состав и заряд наночастицы. Но систематического исследования, показывающего, как взаимодействие зависит от этих параметров на молекулярном уровне, до сих пор не хватало.

Чтобы начать решать эту проблему, исследовательская группа из Института Лауэ-Ланжевена (ILL), Университета Иллинойса и Австралийской организации по ядерной науке и технологиям использовала нейтроны и передовые приборы для нейтронного рассеяния ILL для исследования на молекулярном уровне физических изменений, которым подвергаются клеточные стенки при контакте с золотыми наночастицами разного заряда.

На поверхность золотых наночастиц диаметром 2 нм добавляли либо катионные (положительно заряженные), либо анионные (отрицательно заряженные) группы. Для имитации клеточной мембраны исследовательская группа использовала два двойных слоя липидных молекул, расположенных друг над другом на расстоянии 20–30 Å, которые вместе воспроизводили динамические свойства, наблюдаемые в клеточных мембранах. Затем учёные применили методы нейтронной рефлектометрии в ILL для точного моделирования взаимодействия наночастица-клеточная мембрана в масштабе доли нанометра.

Они обнаружили, что поверхностный заряд наночастиц действительно играет значительную роль в определении их взаимодействия с клеточными мембранами. Катионные наночастицы проходят прямо через липидную мембрану и глубоко внедряются в плавающий бислой, дестабилизируя всю структуру мембраны настолько, что при более высоких концентрациях полностью разрушают клетку. Напротив, анионные наночастицы вообще не проникают в липидную мембрану. Более того, при определённых концентрациях они препятствуют разложению мембраны, помогая ей выдерживать экстремальные условия, такие как повышенный pH, которые обычно значительно её дестабилизируют.