Российские ученые научились управлять наночастицами в теле человека
Исследователи из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта совместно с коллегами из Уральского федерального университета и Института электрофизики Уральского отделения РАН подтвердили возможность использования наночастиц оксидов железа в магнитном биодетектировании. Статья о проведенном исследовании опубликована в Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
Магнитное биодетектирование — мультидисциплинарная область знаний на стыке физики, химии, материаловедения, нанотехнологий и медицины, призванная определять состояние организма по особенностям его отклика на приложение внешнего магнитного поля. Сами по себе ткани и жидкости живой системы обладают очень слабыми откликами на данное поле. Поэтому для биодетектирования необходимо вносить в организм магнитные метки — частицы, которые будут так или иначе реагировать на внешнее поле. Конечно, эти частицы должны быть безопасными для живых тканей и обладать малым размером, в пределах наномасштабов.
Устройство, с помощью которого осуществляется биодетектирование, называется биосенсором. Оно позволяет осуществлять сбор и хранение информации о биосистеме (в частности, о человеческом организме или его части) в автоматическом режиме. Даже не имеющий специальной медицинской подготовки человек может контролировать состояние и управлять различными биологическими системами, используя биосенсор.
В составе магнитного биосенсора работают как минимум два магнитных материала: сенсорный элемент, детектирующий слабые поля, а также наночастицы. Изменение магнитного поля в таком биосенсоре преобразуется в изменение частоты, тока или напряжения.
Использующиеся в биосенсоре магнитные наночастицы способны проникать в клетки избирательно. Например, только в раковые клетки, что позволяет диагностировать наличие и местоположение опухоли. Наночастицы эффективны и при лечении рака — переменное электромагнитное поле в определенных условиях приводит к быстрому разогреву наночастиц, находящихся внутри опухолевых клеток, что разрушает метастазы. Даже будучи установленным вне организма (но в зоне, максимально приближенной к опухоли), сенсор поля при внутривенном введении магнитных наночастиц дает возможность по силе сигнала точно определить момент, когда начать нагрев и уменьшить риск введения избыточного количества наночастиц в организм.
При этом специалисты отмечают: наночастицы, состоящие в ансамбле, несколько отличаются друг от друга по размеру, форме, особенностям поверхности. Следовательно, возникают различия в свойствах частиц (например, изменяется магнитный отклик), что может отразиться на качестве исследований. Самые малые отклонения параметров обеспечиваются только в пределах единовременно изготовленной партии. Потому для практических приложений важны новые способы, обеспечивающие получение больших партий одинаковых по свойствам магнитных наночастиц. Таким является метод лазерного испарения мишени для получения наночастиц из оксида железа, разработанный в Институте электрофизики Уральского отделения РАН.
Из полученных материалов в Уральском федеральном университете были созданы стабильные феррожидкости. Так называются системы, состоящие из воды или иного органического растворителя и крохотных частиц железосодержащего металла. При воздействии магнитного поля они меняют форму. В Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта in vitro (то есть вне живого организма, "в пробирке") исследовали феррожидкости с заданной концентрацией железа и клетки человека, полученные из жировой ткани. Эксперименты показали отсутствие повреждений живой ткани используемыми частицами.
Ферромагнитная жидкость на стекле под воздействием магнита под стеклом
"Рассмотрим гипотетический случай — была проведена диагностика или терапия с использованием наночастиц, но какая-то их доля осталась неиспользованной, вызывая нежелательный токсический эффект. Мы предполагаем, что можно ввести в требуемую зону синтетический феррогель с прикрепленными клетками такой культуры, которая начнет капсулировать лишние наночастицы. С помощью сенсора магнитного поля можно контролировать степень наполнения и в нужный момент удалить феррогель с магнитными наночастицами, снизив уровень токсического воздействия на организм", — комментирует руководитель лаборатории иммунологии и клеточных биотехнологий БФУ Лариса Литвинова.
Исследования показали, что магнитные наночастицы оксидов железа при определенных условиях проникают внутрь клеток и накапливаются в их компонентах, не повреждая живые ткани. Таким образом, ученые подтвердили эффективность модельного материала, который можно использовать при разработке новых типов магнитных биосенсоров, основанных на отклике датчика на количество наночастиц в клетках.