Новые данные о нанотрубках открывают путь к их биомедицинскому применению

Углеродные нанотрубки — цилиндры настолько маленькие, что 50 000 штук, лежащих бок о бок, равны ширине человеческого волоса — обладают огромным потенциалом в качестве высокоточных средств доставки лекарств и терапевтических агентов. Однако отсутствие данных о судьбе трубок после высвобождения их полезного груза было серьёзным препятствием для прогресса.

Исследователи из Стэнфорда, несколько месяцев отслеживавшие нанотрубки в организмах мышей, нашли ответы.

Ранее исследования на мышах показали, что большинство наноматериалов имеют тенденцию накапливаться в таких органах, как печень и селезёнка, что вызывало опасения, поскольку было неизвестно, как долго они могут там оставаться. Однако опасения, что нанотрубки могут накапливаться в жизненно важных органах, можно отбросить, заявил профессор химии Хунцзе Дай. Его команда продемонстрировала, что нанотрубки покидают органы.

Группа Дая обнаружила, что углеродные нанотрубки выводятся из организма в основном с фекалиями, а частично — с мочой. «Это приятно знать. Теперь доказано, что они действительно выводятся из системы», — сказал Дай.

Результаты трёхмесячного исследования, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences Online Early Edition, также развеивают опасения, что длительное нахождение нанотрубок в органах окажется токсичным для мышей.

«Ни одна из мышей не умерла и не показала каких-либо аномалий в биохимии крови или в основных органах. Они выглядят очень здоровыми и набирают вес, как обычные мыши. Не наблюдается очевидной токсичности», — сообщил Дай, старший автор статьи. Отсутствие токсичности нанотрубок у мышей согласуется с более ранним пилотным исследованием.

«Это первый случай, когда кто-либо провёл такое систематическое исследование циркуляции и выведения нанотрубок, и данных по другим наночастицам также мало», — отметил Дай.

Метод отслеживания

Группа использовала рамановскую спектроскопию — метод, при котором свет лазерного луча «подсвечивает» целевые молекулы в органах мышей. Углеродные нанотрубки, состоящие из атомов углерода, в основном организованных в связанные шестиугольные кольца, дают сильный сигнал в ответ на луч. Это позволило исследователям точно определить положение молекул и оценить их количество в крови или органах.

Предыдущие методы обнаружения, основанные на присоединении флуоресцентных меток или спектроскопических маркеров к нанотрубкам, давали ненадёжные результаты, так как метки имели свойство отрываться или разрушаться за время от нескольких часов до нескольких дней.

Ключевая роль химического покрытия

Для практического применения критически важно не только то, что нанотрубки выводятся с нормальной скоростью, но и то, что они не попадают в пищеварительную систему слишком быстро после инъекции. Им нужно провести достаточно времени в кровотоке, чтобы достичь цели.

Ключом к тонкой настройке времени циркуляции оказалось химическое «оснащение» базовой модели нанотрубок. «Вы можете заставить нанотрубки циркулировать в крови очень долго, если правильно подобрать химию», — сказал Дай.

Исследователи обнаружили, что лучше всего работает покрытие нанотрубок полиэтиленгликолем (PEG), распространённым компонентом косметики. Они использовали форму PEG с тремя ответвлениями от центрального ствола. «Они обеспечивают лучшее экранирование нанотрубки, чем одно ответвление. Следовательно, они меньше взаимодействуют с окружающими биологическими молекулами», — пояснил Дай.

Такое покрытие делало нанотрубки высокорастворимыми в воде, что помогало им оставаться в крови, а не поглощаться тканями. «Они циркулируют в крови мышей около 10 часов, что, кажется, является хорошим промежутком времени», — отметил Дай.

Правильное химическое покрытие также помогает нанотрубкам своевременно выводиться из организма, и трёхветвистый PEG был эффективен и здесь.

Перспективы применения

Предыдущие исследования Дая показали, что нанотрубки перспективны для лечения рака двумя разными подходами:

1. После нацеливания на раковые клетки, облучение нанотрубок светом заставляет их генерировать тепло, которое может убивать эти клетки.
2. Нанотрубки можно настроить для накопления в целевых участках, где они доставляют лекарство из своей полости.

«[Углеродные нанотрубки] кажутся многообещающими для биомедицинских применений и потенциального лечения рака, либо с использованием лекарств, либо с использованием физических свойств. Именно поэтому мы провели исследование судьбы нанотрубок у мышей. Я думаю, это действительно фундаментальный вопрос», — заключил Дай.

Источник: Стэнфордский университет