Нанотехнологии в медицине и биологии. Обзор за июль 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.


Графеновые квантовые точки препятствуют развитию болезни Паркинсона

Есть основания полагать, что болезнь Паркинсона связана с накоплением альфа-синуклеиновых белков в среднем мозге. Но на сегодняшний день в клиниках нет терапии против этой болезни. Ученые из США и Южной Кореии показали, что графеновые квантовые точки (GQD, Graphene Quantum Dots) связывают альфа-синуклеин, предотвращая его превращение в фибриллы − белки с вытянутой нитевидной структурой, которые способствуют гибели нейронов. Более того, частицы сумели разбить существующие фибриллы на отдельные молекулы.

Исследователи провели эксперименты на мышах и показали, что GQD предотвращают аккумуляцию альфа-синуклеина и улучшают двигательные способности. Размер квантовых точек порядка нескольких нанометров, что позволяет им проникать в нервную ткань из крови. После введения больным мышам инъекции GQD их способность к управлению конечностями улучшилась.

Источник: https://www.nature.com/articles/s41565-018-0179-y#Abs2


Кремниевые оптические многомасштабные биоинтерфейсы, способные работать без генетической модификации клеток

В этой статье проведен обзор последних экспериментальных данных по кремниевым биоинтерфейсам, контролируемым при помощи света. Рассматриваются экспериментальные работы Bozhi Tian и его коллег.

Благодаря хорошим термоэлектрическим, электрооптическим и электроакустическим качествам кремний может служить как внутриклеточным, так и внеклеточным проводником. Причем он используется для управления клетками без генетической модификации с хорошим пространственным и временным разрешением при помощи света.

В экспериментах было исследовано около 30 кремниевых материалов для биоинтерфейсов различных уровней: внутриклеточных, межклеточных, межтканевых и нейротрансмиттеров. Продемонстрирована принципиальная возможность эффективного оптического управления и считывания сигналов.

Источник: https://www.nature.com/articles/s41551-018-0268-0


Возможно, что редактирование генов при помощи CRISPR-Cas9 ведет к нарушению других участков ДНК

В новом исследовании использовалась технология CRISPR-Cas9 для редактирования ДНК стволовых клеток эмбрионов мышей и дифференцированных клеток человека. Было обнаружено, что в процессе редактирования были удалены несколько килобаз (тысячи пар нуклеотидов) в областях, далеко лежащих от места редактирования.

Эта потеря последовательностей может привести к неожиданным последствиям. Например, нарушить механизмы, предотвращающие рак, и вызвать опухоль. Подобные результаты получались и ранее. Как сообщается на портале Gizmodo публикации о побочных эффектах CRISPR-Cas9 уже привели к потерям биотехнологических компаний более, чем $300 млн.

Источник: https://www.nature.com/articles/nbt.4192


Внутрисосудистые магнитные проволоки для высокопроизводительного поиска циркулирующих опухолевых клеток

Биосенсоры востребованы в медицине, биологии, пищевой промышленности и т.д. Особенно актуальны биосенсоры для диагностики рака. На сегодняшний день коммерческие сенсоры разных типов активно используются. Вместе с тем чувствительность, быстрота и избирательность биосенсоров все еще совершенствуются, а цена и размеры уменьшаются.

Как правило биосенсоры работают in vitro: у пациента забирается кровь или иная часть ткани и помещается после соответствующей обработки на сенсор. Ученые из США разработали и продемонстрировали сенсор циркулирующих опухолевых клеток, работающий in vivo, т.е. забор биомаркеров происходит прямо в организме.

От опухоли в организме отделяются клетки, которые блуждают по крови и могут стать причиной метастазов. Они также являются биомаркерами раковых опухолей и помогают его обнаружить. Исследователи предложили вводить в кровь инъекции, содержащие магнитные наночастицы с антителами этих биомаркеров. Биомаркеры захватываются антителами прямо в крови организма. Затем в вену вводится магнитная проволока, к которой примагничиваются наночастицы. Далее в пробирке проводится исследование захваченных биомаркеров.

Данный метод был опробован на подопытных свиньях. Он показал высокую скорость захвата раковых клеток (менее 10 сек.) и высокую эффективность: в 10−80 раз выше, чем у других традиционных методов.

Источник: https://www.nature.com/articles/s41551-018-0257-3#article-info


Физики получили изображение атомных слоев с рекордной точностью при помощи электронного микроскопа

Эта работа напрямую не относится к медицине и биологии, но разработанный инструментарий будет востребован в этих областях. Исследователи из США добились рекордного разрешения при помощи сканирующего электронного дифракционного микроскопа.

Ученые усовершенствовали электронный микроскоп при помощи технологии EMPAD (electron microscope pixel array detector). Она была разработана в прошлом году и может делать больше, чем просто показывать отдельные атомы. EMPAD способна обнаруживать направление и скорость входящих электронов, что позволяет добиваться невероятно высоких разрешений.

В качестве демонстрации EMPAD были получены изображения двух слоев дисульфида молибдена с рекордным разрешением для электронного микроскопа 0.39 ангстрем. Для сравнения, размер атома водорода составляет 0.529 ангстрем.

Примечательной особенностью метода является то, что энергия облучающих электронов составляет 80 КэВ (килоэлектронвольт) вместо обычных 300 КэВ. Такая низкая энергия позволит использовать данную технологию для изучения живых клеток и клеточных процессов.

Источник: https://www.nature.com/articles/s41586-018-0298-5#Abs1


Получена самая большая и точная 3D карта насекомого

Еще одна новость в области электронной микроскопии. На этот раз при помощи просвечивающей микроскопии и кропотливой работы исследователей из США и Великобритании было получено полное 3D-изображение мозга дрозофилы.  Это самое подробное на сегодняшний день изображение мозга насекомого. В результате исследования удалось описать все синаптические связи между нейронами головного мозга, а также описать неизвестный ранее тип клеток.

Мозг дрозофилы содержит около 100 000 нейронов. Разрешение изображения доходило до 1 нм. Сначала мозг обрабатывался с помощью тяжелых металлов, которые позволяли визуализировать клеточные мембраны. Затем было сделано 7 тыс. срезов по 40 нм толщиной. Каждый слой снимался при помощи просвечивающего электронного микроскопа.

Источник: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0092867418307876


Доставка лекарств к раковым клеткам при помощи полимерных наночастиц

Международная группа исследователей из Лестерского университета, Университетского колледжа Лондона (Великобритания), Института цитологии РАН и МФТИ впервые синтезировала новый класс противоопухолевых препаратов на основе nanoMIP (от англ. molecularly imprinted polymers — полимеры с молекулярными отпечатками, или так называемые «пластиковые антитела»). Эта разновидность наночастиц представляет собой полимерный синтетический аналог антител с трехмерной структурой, который может специфично связывать определенный участок молекулы-мишени. Однако, в отличие от антител, nanoMIP также можно использовать как носителя для дополнительных противораковых лекарств.

В рамках исследования химики впервые продемонстрировали, что можно синтезировать такие nanoMIP, которые будут специфично связывать аминокислотные последовательности белков-мишеней. Также ученые доказали, что их можно использовать для направленной доставки лекарств в опухолевые клетки. Дальнейшее развитие этого подхода может привести к смене существующей парадигмы в разработке противораковых препаратов.

Источник: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Facs.nanolett.7b03206


Наночастицы из оксида церия для доставки опасных для организма лекарств

Наночастицы являются распространенным инструментом направленного уничтожения раковых опухолей. В одних работах наночастицы сами убивают больные клетки. В других они являются носителем сильнодействующих лекарственных средств. Лекарственные средства сами по себе могут быть опасны и для здоровых клеток.  В этой работе ученые из России, Британии и Украины создали нанокапсулы из оксида церия, в которые можно упаковывать опасные для организма вещества и доставлять их в опухоль или в пораженные органы, не убивая другие ткани.

Авторы статьи создали полые наночастицы из оксида церия, используя набор из относительно простых реагентов – аммиака, хлорида церия, лимонной кислоты и соединения кальция. Внутрь них они поместили молекулы люциферазы – белка светлячков, который вырабатывает свет в присутствии кислорода или других агрессивных окислителей.

Эти наночастицы ученые ввели в культуры нервных клеток крыс и раковых клеток человека, которые обитали в крайне агрессивной среде, насыщенной перекисью водорода и другими опасными веществами. Большая часть наночастиц смогла успешно проникнуть внутрь нейронов и раковых клеток, раствориться и выделить люциферин внутри них, а не вне их границ. Оксид церия, как отмечают ученые, защищал белок от разложения даже при очень высокой кислотности среды, и не мешал его работе в нейтральной и щелочной среде.

Источник: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b19658


Неразрушающее отбеливание зубов при помощи наночастицы диоксида титана

Наночастицы активно используются не только в борьбе с опухолями. Группа китайских ученых опробовала технологию отбеливания зубов при помощи наночастиц диоксида титана, покрытых слоем полидофамина. При облучении синим светом в течение четырех часов частицы возвращают зубам белый цвет, при этом, в отличие от препаратов на основе перекиси водорода, такая обработка не приводит к разрушению зубной эмали.

Оксид титана TiO2 − широкозонный полупроводник, который поглощает в ультрафиолетовой области и часто используется в качестве фотокатализатора. Чтобы сместить область поглощения оксида титана в видимую область и снизить вероятность вредного воздействия на зубную эмаль, оксидные наночастицы размером около 40 нанометров были дополнительно покрыты слоем полидофамина. Для отбеливания полученные частицы наносились на зубную эмаль, после чего эмаль облучали синим светом. Облучение производилось с использованием светодиода в течение четырех часов. В результате фотокалитических процессов запускались реакции разложения красящих веществ и зуб постепенно возвращал себе изначальный белый цвет.

Оказалось, что предложенные частицы обладают не меньшим отбеливающим эффектом, чем перекись водорода, и при этом не приводят к повреждениям зубной эмали. В случае использования перекиси начинается процесс деминерализации, в результате чего эмаль приобретает выраженную гексагональную структуру, однако при использовании наночастиц оксида титана никаких разрушений эмали не наблюдалось. Кроме того, эти частицы были проверены и на цитотоксичность по отношению к клеткам печени, почек, селезенки и легких мыши, а также фибробластам человека. Никаких следов токсичности у этих частиц обнаружено не было.

Источник: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsbiomaterials.8b00548


Точечная доставка лекарств на основе марганцевых металл-органических каркасов

Еще одной разновидность наночастиц, используемых для доставки лекарственных средств, являются металл-органические каркасы (МОК). Они представляют собой сложные полимерные материалы, похожие по структуре на пчелиные соты и обладающие очень высокой пористостью и прочностью. Сегодня МОК используются для создания фильтров, способных улавливать углекислоту или водород и удерживать в себе огромные количества этих газов.

Химики из Санкт-Петербурга при помощи численного моделирования исследуют возможность создавать препараты, «точечно» подавляющие воспаления и доставляющие лекарства в опухоль или очаг инфекции. Как показали расчеты ученых, подобные конструкции сохраняют стабильность в тех случаях, если они находятся внутри «нормальных» тканей и клеток или в нейтральной водной среде. При этом они начинают распадаться в тех случаях, если в их окрестностях присутствует большое количество так называемых «активных форм кислорода» – агрессивных окислителей, возникающих в организме, например, при развитии воспалений или рака.

Источник: http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/CP/C8CP00397A


Сенсор кортизола на основе нанопор позволит измерять уровень стресса

Группа исследователей из США и Франции предложили и разработали новый сенсор кортизола, который позволяет измерять концентрацию этого вещества в в каплях пота в реальном времени.

Отличительной чертой сенсора является то, что измерение происходит за счет механических процессов. Поскольку молекула кортизола не заряжена, то для количественного определения гормона ученые предложили использовать специально синтезированную для этой цели мембрану с порами, полностью соответствующими молекулам кортизола по форме. Сделать такую мембрану ученым удалось с помощью метода темплатной полимеризации: вещество сначала сшивается вокруг пробной молекулы кортизола, принимаю правильную геометрию, после чего эта молекула удаляется, а в полимере остается отверстие нужной формы. Во время анализа молекулы гормона уже из капель пота встраивается в эти отверстия, тем самым ограничивая транспорт через мембрану заряженных ионов. Поэтому, если присоединить эту мембрану к электрохимическому транзистору, то зависимость тока от приложенного напряжения будет в результате отражать концентрацию гормона.

Работоспособность устройства ученые проверили сначала на микрофлюидной модели кожи, а затем и в реальных условиях, закрепив пробное устройство на коже человека. Точность измерений оказалась на уровне современных методов лабораторного анализа. В ближайшем будущем ученые планируют создать прототип устройства, которое уже можно применять и повседневной жизни.

Источник: http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaar2904


Обзор подготовил Михаил Ремнев

Перепечатка разрешается при сохранении ссылок на источник публикации.

 

Добавить комментарий