Нанотехнологии в медицине и биологии. Обзор за апрель 2018

Это ежемесячный обзор наиболее важных и интересных новостей от экспертной группы проекта Технологии Долголетия. Сайт группы rlegroup.net.

В данном обзоре рассмотрены публикации, посвященные применению нанотехнологий и наноразмерных структур в медицине и биологии. Понятие нанотехнологий охватывает довольно большой спектр науки и техники. В нашем случае под нанотехнологиями подразумеваются искусственные способы создания наноразмерных объектов, как органических так и неорганических, которые способны оказывать положительное влияние на живые системы изнутри, доставлять лекарства, манипулировать и исследовать их, in vivo. Также к данной тематике следует отнести приборы, основанные на нанотехнологиях, предназначенные для исследования компонентов живых систем вне организмов и клеток, in vitro.


ДНК наномотор, который может двигаться по заданной траектории

К наноструктурам, основанным на органических соединениях относятся различные ДНК моторы. Они в будущем, возможно, станут передвигаться внутри человеческого организма, доставлять лекарства и производить механические манипуляции. Примечательно, что для синтеза подобных объектов все чаще используются не классические нанотехнологии, а механизмы происходящие в живых клетках естественным путем. Например, ДНК-оригами − это технология, использующая способность комплементарных участков цепочек ДНК соединяться между собой.

Так ученые из США и Германии создали молекулярный двигатель, размером около 30 нм, способный двигаться в заданном направлении несколько сотен нанометров, используя  энергию гидролиза нуклеозидтрифосфатов (например, АТФ). Двигатель представляет собой два ДНК кольца, соединенных друг с другом, одно из которых служит статором, а другое ротором. К кольцам прикреплена РНК полимераза, которая вращает ДНК-ротор и производит РНК. Эту цепочку РНК ученые научились использовать для того, чтобы направить наномотор по заданной траектории.

Класс молекул, составленных таким образом, называется катенаны. В них молекулы связаны не химической, а топологической связью.

Источник: https://www.nature.com/articles/s41565-018-0109-z


Наноматериалы для доставки лекарств внутрь клетки

В фармакологии мало разработать лекарство, его нужно доставить по назначению. Здесь могут помочь наночастицы, которые  имеют огромный потенциал в области доставки лекарств в живых организмах.

Ученые из университета штата Орегон разработали самособирающиеся пептидные наночастицы, которые способны проникать сквозь клеточною мембрану (cell-penetrating self-assembling peptide nanomaterials, CSPN). CSPN представляют собой новую модульную платформу доставки лекарств, которая может быть запрограммирована в требуемые структуры путем точной настройки аминокислот в определенной последовательности. 

Источник: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168365918301184


Оценка использования квантовых точек для мониторинга электрических сигналов в мозге

Производство всевозможных наночастиц на сегодняшний день хорошо отработано. В медицине и биологии их используют для таргетной доставки лекарственных средств, увеличения разрешающей способности исследовательских приборов и как катализаторы. В последнее время стали появляться работы по использованию квантовых точек внутри организмов. Квантовые точки − это такие наночастицы из полупроводников, размеры которых настолько малы, что в них проявляются квантовые свойства электронов. В биологии это качество используется для преобразования длин волн излучения на местах, in vivo, а также для преобразования электрических сигналов в оптические, и наоборот.

Так, например, в февральской работе http://science.sciencemag.org/content/359/6376/679 были использованы квантовые точки для нужд оптогенетики. Для стимуляции нейронов мозга мышей используется специальный белок, который активируется синим светом. Но синий свет плохо проходит в ткани, и для стимуляции белка требуется подводка волноводов прямо в мозг. Ученые инжектировали квантовые точки к нейронам. Эти квантовые точки могут преобразовывать инфракрасное излучение, которое очень хорошо проникает внутрь ткани, в синий свет. Таким образом, при помощи квантовых точек появилась возможность стимулировать нейроны без вживления волноводов.

Апрель нас порадовал не менее интересной работой, пока аналитической, по использованию квантовых точек для исследования сигналов отдельных нейронов в глубине мозга. Группа американских ученых провела оценку возможности использования квантовых точек для мониторинга электрических сигналов нейронов в клетках мозга. Не смотря на чрезвычайную сложность внедрения CdSe сферических наночастиц в мембрану клетки нейрона, предложенный метод открывает возможности мониторинга недоступные традиционным методам, но необходимые для современных исследователей мозга. На сегодняшний день для исследования нейронов требуется разрешающая способность в пространстве порядка одного микрометра, временнáя разрешающая способность − порядка одной миллисекунды, а также свободное проникновение в глубину ткани без повреждений и токсичности. Никакие существующие методики не предлагают таких возможностей. Квантовые точки обладают размерами от 2 нм, что позволяет их использовать не только для мониторинга отдельных клеток, но и для анализа электрического потенциала частей клетки. Изменение электрического потенциала приводит к изменению спектра люминесценции квантовой точки, а ее время релаксации порядка 20 нс, что вполне подходит для разрешения по времени. Кроме того, спектр квантовых точек зависит от их размера. Поэтому внедрение квантовых точек разных размеров в разные клетки, расположенные рядом, позволит различать сигналы, полученные от разных клеток.

Источник: https://www.nature.com/articles/s41565-018-0107-1#Abs1


Графеновые биосенсоры с наночастицами меди

Нанотехнологии обладают огромным потенциалом применительно к исследовательским приборам, in vitro. К таким приборам относятся, например, оптические биосенсоры и секвенаторы нового поколения, основанные на нанопоре. Оптические биосенсоры основаны на оптических свойствах наночастиц. Наночастицы обладают резонансами в видимом диапазоне длин волн. При облучении наночастицы излучением с резонансной длиной волны вблизи этой частицы возникает “hot spot” − резкое увеличение электрического поля в узкой области. Благодаря сильному полю в “hot spot” рассеянное излучение изменяется в зависимости от того, что находится в этой точке. Даже одна молекула способна повлиять на рассеяние. Поэтому в эти точки наносят специальные ловушки, состоящие, как правило, из белков, способных соединяться с определенными маркерами, тоже белками. При пропускании через сенсор, например, плазмы крови, маркеры захватываются ловушкой. Это изменяет свойства среды в “hot spot” и рассеянное наночастицей излучение. Так  оптический сенсор может определять наличие самых малых концентраций маркеров.

Оптические биосенсоры развиваются уже 20 лет. Постоянно повышается чувствительность (изменение сигнала в зависимости от изменения концентрации исследуемого вещества) и уменьшается предел обнаружения (минимальное количество вещества, которое способен детектировать сенсор). Также улучшаются скорость, избирательность, цена.

Так исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ разработали новые биосенсоры на основе медных наночастиц и оксида графена, что позволило не только удешевить стоимость производства биосенсоров, но и существенно увеличить их чувствительность. Традиционным материалом для чувствительных элементов оптических биосенсоров служит золото, которое обладает отличными оптическими свойствами и высокой химической стабильностью. У него есть и недостатки −  это высокая стоимость и плохая совместимость с существующим микроэлектронным производством. Медь обладает оптическими свойствами не хуже, чем у золота, но ее использование затруднено высокой окисляемостью. Эта проблема была решена учеными из МФТИ при помощи нанесения на медные наночастицы тонкого слоя диэлектрика, в 10 нм.

Источник: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.8b00276


Обзор подготовил Михаил Ремнев

Перепечатка разрешается при сохранении ссылок на источник публикации.

Добавить комментарий