Размер определяет влияние наночастиц на биологические мембраны

Исследователи из Имперского колледжа Лондона выяснили, что влияние золотых наночастиц на липидные мембраны клеток зависит от их размера.

Наночастицы (диаметром до 100 нанометров) всё чаще производятся для использования в медицине, технологиях, косметике и пищевой промышленности, но их потенциальное воздействие на здоровье человека неизвестно.

Исследование, опубликованное в Nature Communications Chemistry, показывает, что маленькие наночастицы (5–10 нм) наиболее способны нарушать целостность мембран. Этот фактор необходимо учитывать при проектировании наночастиц для использования в организме.

Один из ключевых первых шагов в проявлении токсичности — взаимодействие частицы с клеточной мембраной. Частицы могут прикрепляться к внешней стороне мембраны, внедряться в неё или полностью поглощаться клеткой. Каждый из этих исходов по-разному влияет на клетку: например, искажение мембраны может повлиять на её эластичность и способность функционировать.

Исследователи протестировали золотые наночастицы на искусственных клетках и обнаружили, что их взаимодействие зависит от размера: меньшие наночастицы (5–10 нм) легче всего проникают в клеточные мембраны.

Размер имеет значение

Ведущий исследователь доктор Клаудия Контини отметила: «Используя упрощённую систему, мы смогли показать, что судьба наночастицы при контакте с мембраной определяется её размером. Меньшие наночастицы имеют больше шансов проникнуть внутрь мембраны по сравнению с более крупными».

Золотые наночастицы исследуются для различных применений в организме, включая обнаружение опухолей и доставку лекарств или агентов для генной терапии. Обычно их функционализируют — покрывают молекулами, которые помогают нацеливаться на специфические рецепторы в мембранах. Однако было неизвестно, всегда ли необходима функционализация для взаимодействия.

Команда протестировала нефункционализированные наночастицы разного размера на искусственных клетках, имитирующих свойства биологических мембран. Это позволило сфокусироваться именно на взаимодействиях.

Проектирование наночастиц будущего

Было обнаружено:

• Крупные наночастицы (50–60 нм) иногда прилипали к внешней стороне мембраны, вызывая минимальные нарушения.
• Наночастицы среднего размера (25–35 нм) чаще прилипали к поверхности и вызывали некоторое искажение.
• Малые наночастицы (5–10 нм) значительно искажали мембрану, изгибая её внутрь, иногда образуя стопки, что приводило к трубчатым деформациям.

Таким образом, малые нефункционализированные наночастицы могут вызывать нежелательные токсические побочные эффекты в организме — фактор, который необходимо учитывать при разработке медицинских наночастиц.

Это открытие также имеет положительную сторону: иногда проникновение наночастиц в мембраны полезно, например, для прямой доставки лекарств в клетки. Малые золотые наночастицы могут стать более эффективными системами доставки препаратов, если они легче втягиваются в клетку.