1.2.2 Биомедицинские применения золотых наночастиц: современное состояние и перспективы развития.

Функционализованные золотые наночастицы с контролируемыми геометрическими и оптическими свойствами являются объектом интенсивных исследований и биомедицинских применений, включая геномику, биосенсорику, иммуноанализ, клиническую химию, лазерную фототерапию раковых клеток и опухолей, адресную доставку лекарств, ДНК и антигенов, оптический биоимиджинг и мониторинг клеток и тканей с применением современных систем регистрации. Эти приложения основаны на комбинировании двух принципов: 1) функционализации поверхности для обеспечения коллоидной стабильности и биосовместимости частиц, молекулярного узнавания конъюгатов, эффективности эндоцитоза и т.п.; 2) возбуждении плазмонных резонансов в видимой или ближней ИК области для получения уникальных оптических свойств. В работе дан обзор полученных к настоящему моменту результатов и актуальных проблем в области биомедицинских приложений золотых наночастиц различного размера, формы и структуры. Основное внимание уделено применению конъюгатов золотых наночастиц с различными молекулами-зондами в биомедицинской диагностике и аналитике, фототермальной и фотодинамической терапии, в качестве носителей целевых молекул, а также иммунологическим, токсикологическим и антимикробным свойствам. Приведены примеры различных плазмонно-резонансных и композитных наночастиц, синтезируемых в лаборатории нанобиотехнологии ИБФРМ РАН. Обсуждаются возможности контролируемого дизайна наноструктур с требуемыми оптическими, фототермическими и фотодинамическими свойствами. В частности, рассматриваются новые типы мультифункциональных композитных наночастиц для терапии и диагностики, которые имеют потенциальные свойства фототермального нагрева, видимой флуоресценции и ИК-люминесценции, а также фотодинамической активности за счет включения фотосенсибилизатора в структуру наночастиц. В последние годы золотые наночастицы (ЗНЧ) различных размеров и форм предложено применять в диагностике, лечении и профилактике заболеваний. В частности, ЗНЧ активно используют для идентификации, визуализации и биоимиджинга раковых клеток методами электронной просвечивающей и сканирующей микроскопии, атомно-силовой микроскопии, конфокальной лазерной микроскопии, микроскопии темного поля. Кроме перечисленных способов регистрации биоспецифических взаимодействий с помощью различных вариантов оптической микроскопии и ЗНЧ, в настоящее время активно развиваются и другие современные методы детекции и биоимиджинга, которые можно объединить под общим названием «методы биофотоники». К методам биофотоники можно отнести оптическую когерентную томографию, рентгеновскую и магнито-резонансную томографию, фотоакустическую микроскопию и томографию, флуоресцентную корреляционную микроскопию и т.п. Конъюгаты ЗНЧ нашли многочисленные применения в аналитических исследованиях, которые могут быть основаны как на современных инструментальных методах (SERS, SEIRA, LISNA и т.д.), так и на простых твердофазных или гомофазных методиках (дот-анализ, иммунохроматография и т.п.). Плазмонная фототермическая лазерная терапия рака с помощью ЗНЧ, впервые описанная в 2003 г., в настоящее время перешла в стадию клинической апробации. Одним из наиболее перспективных и активно развивающихся аспектов использования ЗНЧ в медицине является адресная доставка лекарственных средств. Самыми популярными объектами для адресной доставки являются противоопухолевые препараты. Лекарственный препарат для внутривенного введения на основе конъюгата ЗНЧ с фактором некроза опухолей под названием AurImmune™ уже прошел вторую стадию клинических испытаний. Обнаружение адъювантных свойств у ЗНЧ создает благоприятные условия для разработки нового поколения вакцин, в том числи и антираковых.

Плазмонно-резонансные частицы (ПРЧ) благородных металлов (золота и серебра) благодаря своим уникальным оптическим и химическим свойствам представляют собой великолепный инструмент для цитологических исследований. ПРЧ могут быть использованы как средство доставки лекарственных соединений внутрь клеток и в качестве оптического зонда (биоимиджинг). В настоящее время предложено множество технологических решений, позволяющих получать плазмонно-резонансные частицы различных размеров и форм с настройкой плазмоного резонанса в видимой и ближней инфракрасной области светового спектра. Химическая инертность, способность противостоять окислению даже в ультрадисперсном (наноразмерном) состоянии делает золотые и серебряные ПРЧ малоцитотоксичными. В то же время поверхность ПРЧ может быть функционализирована биологически нейтральными или специфическими макромолекулами, придавая конъюгатам ПРЧ (маркерам) направленность взаимодействия с экзо- и эндоклеточными молекулярными компонентами. В зависимости от размера и функционализации поверхности ПРЧ могут проникать внутрь клеток за счет эндоцитоза или закрепляться на внешних структурах клеточной оболочки. Наиболее адекватным из современных методов оптической визуализации ПРЧ является, пожалуй, мультифотонная конфокальная лазерная сканирующая микроскопия благодаря собственной (очень слабой) люминесценции золота и серебра. Однако, вследствие аномального плазмонно-резонансного светорассеяния, ПРЧ могут быть сравнительно легко выявлены как методами конфокальной, так и обычной световой микроскопии в режимах регистрации рассеяния (темное поле). Обсуждаются результаты изучения колокализации золотых, серебряных и золото-серебряных ПРЧ с животными клетками различными методами световой микроскопии.

Использование наночастиц золота в качестве корпускулярной матрицы для доставки цитостатических препаратов. Получение лекарственных форм противоопухолевых препаратов проспидина и цисплатина с использованием наночастиц золота в качестве носителя и исследование их противоопухолевой активности in vitro.

1.2.3 Биомедицинские применения композитных наночастиц:. Ученые Мичиганского университета (Xiangyang Shi, Suhe Wang, James R. Baker Jr. и др.) разработали стабильные, водорастворимые и биосовместимые дендримерные наносистемы, пригодные для применения в медицинских целях. Для этого золотые наночастицы вводятся внутрь разветвленных органических молекул, содержащих аминогруппы на концевых участках цепочек. После этого к концевым аминогруппам прикрепляют молекулы красителей и направляющие молекулы фолиевой кислоты. Конечным этапом было ацетилирование оставшихся аминогрупп с целью удаления поверхностного заряда частиц, что обеспечивает биосовместимость и позволяет избежать неспецифической адгезии к нецелевым тканям.

Изучение молекулярной динамики структур показало, что молекулы фолиевой кислоты находятся на поверхности структур и как бы выступают в раствор, что обеспечивает их готовность к связыванию с поверхностью клеток. При этом молекулы красителей находятся в удалении от металлических наночастиц, что сохраняет их способность к флуоресценции.

Клетки многих опухолей, в том числе рака яичников, почек, матки, яичек, мозга, толстого кишечника и легких характеризуются гиперэкспрессией рецепторов к фолиевой кислоте. Это обеспечивает избирательное связывание созданных учеными наноструктур с раковыми клетками, а наличие в их структуре флуоресцентных красителей позволяет с помощью конфокальной микроскопии отличить опухолевые клетки от здоровых.

Электронная микроскопия, благодаря обеспечиваемой золотыми наночастицами высокой контрастности, позволит точно выявлять места связывания наноструктур. Авторы также подчеркивают, что возможно создание дендримерных наночастиц, содержащих различные биологические лиганды, такие как белки или антитела, которые обеспечат визуализацию или специфичное воздействие на различные биологические системы.

Помимо визуализации, предложенный подход можно использовать для уничтожения связавшихся с наночастицами опухолевых клеток с помощью разогревающего золотые наночастицы лазера. Альтернативным вариантом является прикрепление к наночастицам лекарственных препаратов, что обеспечит их прицельную доставку в опухолевые клетки. В настоящее время авторы проводят эксперименты на животных с целью подтверждения безопасности метода и целесообразности его клинического применения.