Золотая наноклетка открывается на свету для высвобождения содержимого

Исследователи из Университета Вашингтона в Сент-Луисе разработали золотую наноклетку с полимерным покрытием, которая открывается в ответ на свет, высвобождая небольшую дозу лекарства, а затем закрывается, когда свет выключают. Это позволяет устройству быть готовым к следующей дозировке по команде. Такая система доставки, высвобождающая точно отмеренные количества препарата только вблизи целевой ткани, может максимизировать терапевтический эффект и минимизировать побочные действия.

Работа под руководством Юнана Ся, Ph.D., опубликована в журнале Nature Materials.

Ключ к светочувствительности наноклетки лежит в физическом явлении — поверхностном плазмонном резонансе. Часть электронов в золотой наноклетке не привязана к отдельным атомам, образуя свободный электронный газ. Свет, падающий на эти электроны, заставляет их коллективно колебаться. Этот коллективный осциллятор, поверхностный плазмон, возникает на определенной длине волны (цвете), которая зависит от толщины стенок клетки. По мере осаждения большего количества золота и утолщения стенок суспензия наноклеток смещается от красного цвета к длинам волн в ближней инфракрасной области. Биологические ткани в значительной степени прозрачны для ближнего инфракрасного света.

Поверхностный плазмонный резонанс имеет две составляющие: на резонансной частоте свет может рассеиваться клетками, поглощаться ими или комбинацией этих процессов. Ученые используют именно компонент поглощения, чтобы открывать и закрывать наноклетки. Поглощая свет, наноклетки нагреваются, что запускает изменение в специальном термочувствительном полимере — поли(N-изопропилакриламиде) и его производных. У него есть так называемая критическая температура. При ее достижении полимер претерпевает фазовый переход.

Если температура ниже критической, гидрофильные полимерные цепи вытягиваются от клетки, подобно щеткам. Эти «щетки» запечатывают поры клетки и предотвращают утечку груза. Но когда золотая клетка реагирует на свет и нагревается выше критической температуры, полимерные цепи отталкивают воду, сжимаются и схлопываются. По мере их сжатия поры клетки открываются, высвобождая содержимое. Количество высвобождаемого лекарства зависит от того, как долго клетки остаются теплыми, что, в свою очередь, зависит от длительности светового воздействия.

Чтобы этот процесс открытия-закрытия имел медицинскую ценность, исследователи настроили критическую температуру полимера так, чтобы она была выше температуры тела (37 °C), но значительно ниже 42 °C — температуры, при которой тепло начинает убивать клетки. Тесты с наноклетками, загруженными доксорубицином, показали, что свет, как и ожидалось, запускает высвобождение препарата, вызывая гибель клеток рака молочной железы в культуре.

Исследование подробно описано в статье «Gold nanocages covered by smart polymers for controlled release with near-infrared light».