Самоорганизующиеся «волосатые» наночастицы могут нанести двойной удар по раку

«Волосатые» наночастицы из светочувствительных материалов, способные к самоорганизации, в будущем могут стать «наноперевозчиками», позволяя врачам одновременно доставлять в опухоли как лекарства, так и тепло для борьбы с раком. Это одно из потенциальных применений новой технологии, объединяющей водоотталкивающие, но светочувствительные и водопоглощающие материалы в полимерные нанореакторы для создания фотооткликающихся золотых наночастиц.

Свет определенных длин волн заставляет наночастицы собираться и разбираться по команде, что позволяет динамически организовывать их для контролируемого высвобождения лекарств in vitro. Если включить молекулы химиотерапевтических препаратов в структуру собранных наночастиц, их можно доставить в опухоль, а затем высвободить с помощью света более короткой длины волны, который запускает разборку через фоторасщепление.

Помимо такой динамической сборки и разборки, инкапсуляция и высвобождение химиотерапевтических молекул также может быть достигнута за счет обратимого ковалентного связывания противораковых препаратов с полимерными «волосками» на поверхности наночастиц. Поглощая тот же свет, который запускает высвобождение лекарства, золотые наночастицы также могут нагревать раковые клетки, обеспечивая двойной удар.

В широком спектре других применений процесс самоорганизации наночастиц также может запускаться факторами окружающей среды, такими как температура, pH или полярность растворителя, путем рационального дизайна полимерных «волосков». В данном исследовании использовались золотые наночастицы, но процесс также может создавать самоорганизующиеся наночастицы из различных металлов и оксидов металлов. Модифицируя поверхность наночастиц водопоглощающими полимерами, содержащими компоненты, реагирующие на ближний инфракрасный свет, высвобождение лекарства можно осуществлять in vivo.

Сферические золотые наночастицы можно заменить наноматериалами более сложной формы (например, полыми наночастицами, наностержнями или нанотрубками), чтобы улучшить поглощение ближнего инфракрасного света для проникновения в биологические ткани. Тестирование этих наночастиц в живых клетках или организмах пока не проводилось.

Исследование было поддержано Управлением научных исследований ВВС и Национальным научным фондом США, а его результаты опубликованы 31 января в раннем выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences. Соавторами статьи выступили материаловеды из Технологического института Джорджии и Южно-Китайского технологического университета.

«Мы предполагаем, что эти фотооткликающиеся золотые наночастицы, покрытые полимером, однажды смогут служить наноперевозчиками для доставки лекарств в организм, используя наш надежный и обратимый процесс сборки и разборки», — сказал Чжицюнь Линь, профессор Школы науки и инженерии материалов Технологического института Джорджии. «Применяемые в терапии рака, они могут усилить эффект лечения, нагревая раковые клетки и одновременно доставляя лекарство в опухоль».

Под действием света сборки фоточувствительных наночастиц распадаются в течение нескольких часов со скоростью, которую можно контролировать интенсивностью и длиной волны света. «Поскольку разборку можно включать и выключать по желанию, мы могли бы обеспечить высвобождение лекарства по времени, контролируя воздействие света короткой длины волны», — добавил Линь.

«Волосатые» наночастицы создаются вокруг крошечного ядра из бета-циклодекстрина, от которого растут полимерные цепи поли(акриловой кислоты)-блок-поли(7-метакрилоилокси-4-метилкумарина) (PAA-b-PMAMC). Этот материал притягивает водорастворимые металлические прекурсоры, которые используют пространство внутри полимерных «волосков» как нанореакторы для формирования золотых наночастиц.

К этим внутренним структурам (гидрофильным полимерам PAA) исследователи добавляют «волоски» из гидрофобного мономера MAMC. Эти материалы чувствительны к свету и заставляют наночастицы самоорганизовываться посредством процесса фото-димеризации (сшивания) под действием света с длиной волны 365 нанометров.

Процесс сборки можно надежно обратить вспять по требованию, используя более короткую длину волны — 254 нанометра.

«Как только полимерные цепи соседних золотых наночастиц начинают фото-сшиваться, они сближают наночастицы посредством процесса самоорганизации, создавая крупные сборки», — пояснил Линь. «Этот процесс полностью обратим и может повторяться во многих циклах».

Исследовательская группа включила молекулы красителя в самоорганизованные наночастицы, чтобы смоделировать возможное включение и последующее высвобождение химиотерапевтических агентов. Магнитный оксидный материал, включенный в наночастицы, мог бы позволить направлять сборки к месту опухоли с помощью внешнего магнита, а также поддерживать диагностическую визуализацию.

Помимо действия лекарств, плазмонные эффекты золотых наночастиц могут нагревать их под действием света, атакуя раковые клетки вторым путем.

Помимо потенциального медицинского применения, техника самоорганизации может найти применение в оптике, оптоэлектронике, магнитных технологиях, сенсорных материалах и устройствах, катализе и нанотехнологиях. Этот метод также может привести к новым фундаментальным исследованиям в кинетике кристаллизации, используя процесс самоорганизации для создания «искусственных кристаллов», удерживаемых вместе полимерными цепями.

Лаборатория Линя работает над амфифильными звездообразными блок-сополимерами несколько лет, добавляя новые функции и исследуя новые возможности наносистем.

«Наша работа предоставляет стратегию дизайна, позволяющую манипулировать как внешним, так и внутренним блоком звездообразного блок-сополимера, — сказал он. — Наш фундаментальный вклад в этой работе — разумно приготовить звездообразный блок-сополимер, в котором внутренний блок способен координироваться с металлическими прекурсорами, а внешний блок позволяет взаимодействовать фотооткликающимся материалам, что, в свою очередь, позволяет создавать фотооткликающиеся золотые наночастицы для светоиндуцируемой обратимой и надежной самоорганизации».