Магнитные наночастицы: достижения и перспективы

Будущее приходит по‑разному. Иногда по‑бетховенски властно грохоча кулаком, а порой – вот как лет двадцать назад, когда сначала в специальной литературе, а потом и в массовой печати начали впервые появляться отрывочные сообщения о новом и необычном биологическом инструменте – магнитных наночастицах. Поток сообщений постепенно нарастал, и теперь редко уже проходит месяц, чтобы не вспыхнул в печати или Интернете очередной манящий заголовок. Ну, вот, к примеру, такая новость – магнитные частицы в коронарных стентах. Установка коронарного стента – кардиологическая операция, которой подвергаются миллионы людей. Надувная проволочная трубка стента держит сосуды открытыми и обеспечивает беспрепятственную циркуляцию крови. Для того чтобы стент закрепился, эндотелиальные клетки сосуда должны постепенно обволочь трубку. Обычно это занимает четыре – шесть недель, и все это время пациента кормят аспирином, чтобы в стенте не образовался кровяной сгусток. Сейчас кардиологи клиники Майо в штате Миннесота (США) разработали новую процедуру. Перед операцией они извлекают эндотелиальные клетки из сосудов пациента, в лабораторных условиях размножают их, внедряют в них магнитные наночастицы и возвращают обратно в кровь. Затем вводят больному стент, предварительно его намагнитив. Клетки, содержащие магнитные наночастицы, влекутся к намагниченному стенту и надежно обволакивают его за считанные дни вместо недель.

А вот еще несколько недавно разработанных способов применения магнитных частиц в медицине. Сообщается, что они, нагреваемые внешним магнитным полем, способны «по требованию» высвобождать из себя многосоставной антираковый препарат прямо в опухоль. И те же наночастицы указывают на местонахождение опухоли.

В бельгийском исследовательском центре ИМЕК разработан метод создания устойчивых, совместимых с биологической средой магнитных наночастиц, несущих на себе многие наружные химические группы. Это открывает широкий спектр возможных биомедицинских приложений, начиная с доставки лекарств по точному адресу в организме и кончая направленной антираковой терапией.

Ученые из университета штата Джорджия (США) нашли способ вводить люминесцентно светящиеся магнитные наночастицы в одиночные раковые клетки, что позволяет находить их в организме, а затем, воздействуя внешним магнитным полем, удалять.

Список возможностей магнитных наночастиц постоянно растет – дело, похоже, идет к очередной технологической революции в медицине. И это повод приглядеться К магнитным наночастицам повнимательнее.

На первый взгляд все кажется просто. Две главные особенности магнитных наночастиц очевидны уже из их названия – это малые размеры и магнитные свойства. Сначала о первом. Клетки организма имеют средний размер 8–10 микрометров (микронов, как говорили раньше): их отдельные «органеллы» – порядка десятых долей микрометра; размеры вируса – 20–450 нанометров, молекулы белка – 5–50 нанометров, гена – 2 нанометра в толщину и 10–100 нанометров в длину. Те наночастицы, о которых речь, имеют 10–100 нанометров в диаметре, и в этом смысле их введение в клетку вполне безопасно. В то же время эти малые размеры делают наночастицы, как мы видели, сравнимыми по величине с различными биологическими молекулами, и они оказываются удобным (а иногда – незаменимым) средством изучения этих объектов и воздействия на них.

Понятно, что это требует предварительного оснащения исходной наночастицы (в сущности, крупицы металлической окиси железа, кобальта, никеля, хрома или золота) различными «орудиями». Прежде всего она должна быть покрыта специально подобранными малыми молекулами – эта оболочка призвана сделать частицу «биосовместимой». Затем к ней присоединяются другие молекулы – «линки», которые одним концом прикрепляются к оболочке, а на другом конце несут различный «полезный груз»: антитела для распознавания патогенов, люминофоры, придающие частице способность светиться, и тому подобные «присадки». Но бывают и более сложные конструкции. Например, в одном из экспериментальных методов дистанционного разрушения опухолей используются полые и пористые наночастицы, внутри которых находится специальный краситель. Когда лучи лазера, сфокусированные на опухоли, нагревают частицу, молекулы красителя выходят через поры и под действием лучей разлагаются с выделением атомарного кислорода, губительного для клеток. В зависимости от назначения частиц могут быть и другие варианты. В конечном итоге такая «биологическая наночастица» имеет довольно сложный вид.

Второе отличительное свойство магнитных наночастиц – это, как уже сказано, их магнетизм, точнее – их суперпарамагнетизм. В каждом веществе атомы имеют микроскопические магнитные моменты, и, если поместить парамагнитное вещество во внешнее магнитное поле, эти атомные магнитики ориентируются вдоль такого поля. При этом кусок вещества намагничивается неоднородно: в нем образуются отдельные участки, домены, в каждом из которых атомные магнитики расположены строго параллельно, но, поскольку тепловое движение ворочает эти домены туда‑сюда, их суммарные магнитные моменты не параллельны друг другу. Поэтому вещество в целом намагничивается слабо. Но если кусок вещества равен как раз одному такому домену, то в нем все магнитики будут параллельны и намагничивание будет много сильнее – оно и называется суперпарамагнетизмом. Остается сказать, что размеры домена составляют 10–50 нанометров, и становится, я думаю, понятно, почему наночастицы (то есть отдельные домены) парамагнитного вещества обладают такими уникальными магнитными свойствами, которыми не могут обладать большие крупицы.

Разумеется, наночастицы не создаются путем раздробления вещества, технология их изготовления более сложна, но оставим ее специалистам. Интересен вопрос – как направлять эти частицы в нужное место? Прилагая постоянное внешнее поле, можно только повернуть магнитный момент частицы как целого в ту или иную сторону. Для придания же частице поступательного движения требуется неоднородное поле, сила которого меняется вдоль нужного направления. В таком поле частица будет двигаться, грубо говоря, в сторону нарастания поля (не случайно порошок железа в школьном опыте стягивается именно к полюсам магнита). В биологической практике такие неоднородные поля создаются специальным образом. Вот, например, как выглядит использование магнитных наночастиц для сепарирования биомолекул. К частицам присоединяются антитела, которые имеют способность другим своим концом соединяться с какими‑то определенными клетками; эти частицы вводятся в раствор различных клеток, где благодаря антителам соединяются со «своими» клетками, после чего раствор пропускается по трубке, в определенном месте которой намотана проволока, по которой идет ток, создающий неоднородное магнитное поле. Градиент поля останавливает те клетки, на которых есть наночастицы, и пропускает раствор со всеми другими клетками, а специальные приборы замеряют суммарную намагниченность остановленных частиц, и по ней вычисляется количество отсепарированных клеток. Эта методика уже с успехом опробована на эритроцитах, клетках опухоли легких, бактериях, отдельных молекулах ДНК и т. д.

Другое широкое применение магнитные наночастицы нашли в борьбе с раком. Обычные методы химиотерапии страдают тем недостатком, что лекарства не могут быть доставлены только в нужные места. Их просто вводят в организм, и поэтому они неизбежно попадают и туда, куда не следует, зачастую вызывая опасное побочное действие. Ненаправленное введение лекарств требует увеличения их дозы (чтобы достичь нужной их концентрации в опухоли), что усиливает эти вредные последствия. В 1970‑е годы было предложено направлять лекарства в опухоли с помощью магнитных частиц, и сейчас, с развитием нанотехнологий, это стало возможным благодаря использованию описанного выше метода неоднородного магнитного поля. Этот метод открыл также возможность внедрять наночастицы внутрь опухолевых клеток, чтобы затем разрушать эти клетки путем нагревания частиц.

Что же в итоге? Как уже сказано выше, возможности магнитных наночастиц фантастичны, экспериментальные успехи в их применении несомненны. Сегодня медицина находится на пороге революционных изменений, на стадии перехода – точнее, поиска путей перехода – от успешных экспериментов в контролируемых лабораторных условиях к безопасным клиническим испытаниям. Но можно надеяться, что через считанные годы эти пути будут найдены.