Перевод статьи  П. Мукерджи

Настраиваемые люминесцентные углеродные наносферы с четко определенной нанохимией для синхронизированной томографии и терапии

В этой работе мы демонстрируем значение заданной поверхностной нанохимии в синтезировании люминесцентных углеродных наноматериалов (LCN) двойного назначения (например, применимые при диагностической томографии и терапии). Поверхностная химия LCN была разработана в двух вариациях: одна включает теплочувствительный полимер и средства для контролируемого переноса лекарств, другая обладает флюоресцентным свечением в видимом и ближнем инфракрасном (БИК) спектре, она может использоваться вместе с продвинутыми методами диагностики. Хотя эти частицы синтезируются с применением простых (но масштабируемых) методов, они демонстрируют отменную стабильность, фотолюминесцентность и биосовместимость. Фотолюминесцентные свойства материалов можно настраивать путем тщательного подбора пассиваторов поверхности. Эти свойства могут использоваться для получения изображений как в видимом, так и в ближнем инфракрасном спектре. Опыты демонстрируют возможность внедрить мощное средство против появления метастазов для подавления меланомы в пробирке. Так как обе частицы активны при рамановской спектроскопии, из проникновение сквозь поверхность кожи отображено на снимке благодаря свойству фотолюминесценции, глубина проникновения проанализирована с помощью 3D визуализации. Полученные нами результаты говорят о появлении нового поколения настраиваемых зондов на основе углерода, которые могут быть использованы для диагностики, терапии или для обеих задач.

Патока: есть. Мед: есть. Свинья: хм, есть.

Люминесцентные углеродные наночастицы (смесь углеводов) применялись для контролируемой доставки медпрепаратов. Поли (N-изопропилакриламид), или PNIPAM, теплоотзывчивый (реагирующий на тепло) полимер, использовали для инкапсуляции молекул (красных) пентоксифиллина. Фазовый переход PNIPAM происходит при более высокой температуре, что позволяет контролировать момент высвобождения лекарственного препарата. (Автор: П. Мукерджи и другие / Small)

Как вам идея создать углеродные наночастицы, достаточно мелкие, чтобы суметь уклониться от иммунной системы организма, которые отражают излучение в ближнем инфракрасном диапазоне? Такие, которые можно легко обнаружить в человеческом теле? Способные к тому же нести полезный груз в виде медицинских препаратов к целевым тканям организма? И все это — под крышей вашего дома?

Если вам по нраву эта мысль, у профессоров биоинженерии из университета Иллинойса Дипанджана Пана и Рохита Бхаргава есть рецепт изготовления таких наночастиц «в домашних условиях».

В отличие от других методов получения углеродных наночастиц (они требуют дорогостоящего оборудования, а процесс очистки может занять несколько дней), новый удобный подход позволяет вам собственноручно создать наночастицы «профессионального» уровня всего за несколько часов. Потребуются только патока и мед из любого магазина. Это — и свинья.

Исследователи сообщают о выдающихся результатах работы через журнал Small.

«Сделай сам»: рецепт изготовления биомедицинских наночастиц

«Если у вас есть микроволновка, мед и патока, вы без проблем можете изготовить эти частицы дома», - говорит Пан, - «Просто смешайте эти ингредиенты и готовьте их в течение нескольких минут. Вы увидите нечто похожее на уголь, но на самом деле это наночастицы с высоким уровнем люминесценции (они светятся). Это одна из самых простых систем производства, которую мы можем придумать. Она безопасна и масштабируема для возможного клинического применения».

У этих углеродных наносфер «следующего поколения», или «люминесцентных углеродных наноматериалов», ученые обнаружили несколько привлекательных свойств:

На томографии они естественным образом так рассеивают свет, что их легко отличить от человеческих тканей. Это избавляет от необходимости добавлять к наночастицам красители или флюоресцентные молекулы, позволяющие обнаружить частицы в теле. Наночастицы покрыты полимерами, с помощью которых можно «настроить» оптические свойства и скорость распада в организме.

К полимерам также можно примешать медицинские препараты, которые постепенно высвободятся.

Можно произвести наночастицы с диаметром меньше 8 нанометров (толщина человеческого волоса — от 80 до 100 тысяч нанометров). «Наша иммунная система не в состоянии распознать что-либо меньше 10 нанометров», - говорит Пан, - «Значит, эти крохотные частицы будто замаскированы, я бы сказал, они скрываются от иммунной системы человека».

Тестирование наночастиц: не пытайтесь повторить это дома

Для этой части потребуется лаборатория (разве что у вас дома очень необычная кухня). В лаборатории Бхаргавы использовали метод вибрационной спектроскопии, чтобы определить молекулярную структуру наночастиц и их «груза».

«Рамановская и инфракрасная спектроскопии — два метода, которые применяются для определения молекулярной структуры», - рассказывает Бхаргава, - «Мы думали, что покрыли частицу особым полимером и «нагрузили» ее особым лекарственным препаратом — но действительно ли мы это сделали? Мы прибегли к спектроскопии для подтверждения, а также для визуализации процесса доставки частиц и молекул лекарства».

Команда исследователей обнаружила, что наночастицы не высвобождала «груз» в виде лекарственного препарата при комнатной температуре, но при температуре человеческого тела они начинали выделять противораковый препарат.

Тут наступает время свиньи. Команда ученых проверяла терапевтический потенциал наночастиц, «нагрузив» их лекарством от меланомы и подмешав к раствору для наружного применения, который затем нанесли на кожу свиньи. Исследователи также установили, какие составы для наружного применения проникают в кожу на желаемую глубину.

В ходе дальнейших экспериментов ученые обнаружили, что могут корректировать проникновение частиц в клетки меланомы, изменяя состав полимерного покрытия. Томография подтвердила, что клетки, в которые проникли наночастицы, начинают «набухать» - это является признаком приближения гибели клетки.

«Это универсальная платформа для доставки множества лекарственных препаратов — от меланомы, от других видов рака и прочих заболеваний», - говорит Бхаргава, - «Можно покрывать частицы различными полимерами для получения различных оптических откликов. Их можно нагружать двумя лекарствами, тремя, четырьмя, так что можно проводить лечение несколькими препаратами, используя одни и те же частицы».

«Изменяя состав покрытия, мы можем изменить свойства частиц», - рассказывает Пан, - «Мы можем заставить их светиться на определенной длине волны, можем «настроить» частицы так, чтобы они высвобождали лекарственный препарат только в окружении клеток определенного типа. В этом, я думаю, красота нашей работы».