Чому ці структури назвали бакмінстерфулеренами (фулеренами)? 4 страница

Наноструктуроване золото останнім часом привертає пильну увагу дослідників. Це пов’язано із унікальними властивостями, які цей метал проявляє на рівні наночастинок. Такі властивості не характерні для макроскопічного золота, і в основному пов’язані із великою кількістю поверхнево розташованих атомів, що зумовлено великим співвідношенням площі поверхні до об’єму наночастинок. До цих властивостей відносять: поверхневий плазмоновий резонанс, гігантське (підсилене поверхнево) раманівське розсіювання, висока каталітична та хімічна активність. Серед різних напрямків застосування наноструктурованого золота особливе місце займає медицина. Зокрема, виконано багато наукових досліджень присвячених методам діагностики, лікування, фармакологічним та цитологічним розробкам за допомогою нанозолота. Перш ніж перейти до цих методик, необхідно зупинитись на властивостях та типах наночастинок, які застосовуються у медицині.

Основні властивості наноструктурованого золота.Як відомо наночастинки володіють дещо іншими властивостями у порівнянні з макроскопічними об’єктами з тієї ж самої речовини. Не виключенням є й наночастинки золота (НЧЗ) та нанопокриття із золота (НПЗ). Одна із основних властивостей нанозолота, яка застосовується для медичних цілей – поверхневий плазмоновий резонанс. Це явище пов’язане із взаємодією вільних електронів атомів наночастинки, які знаходяться на її поверхні з електромагнітними хвилями. При цьому, в залежності від частоти хвилі падаючого світла та коливань цих електронів, воно може відбиватися чи поглинатися. Наночастинки здатні відбивати світло з інтенсивністю, що на порядки перевищує інтенсивність випромінювання багатьох відомих барвників, які використовуються у діагностичних цілях, при цьому на відміну від останніх, не спостерігається ефекту знебарвлення [Sönnichsen G. et al., 2005]. Це зумовлює інтенсивність та колір забарвлення колоїдних розчинів наночастинок золота (червоне, блакитне, фіолетове). В той же час НЧЗ сильно поглинають хвилі з певною довжиною з подальшим перетворенням енергії світла у теплову. Довжина хвилі, при якій спостерігають поверхневий плазмоновий резонанс, значно залежить від форми, розмірів та хімічної природи наночастинок [Jain P. K. et al., 2006] Явище поверхневого плазмонового резонансу лежить в основі нової методики діагностики та лікування злоякісних пухлин [Huang X., 2008].

Гігантське (поверхнево підсилене) раманівське розсіювання – ще одна специфічна властивість нанометалів. Воно властиве для молекул, сорбованих на поверхнях металічних наночастинок. Це означає, що у раманівському спектрі тої чи іншої сполуки виявляється сильне підсилення сигналу в певних діапазонах довжин хвиль. Підсилення може сягати 10¹⁴ – 10¹⁵, а отже стає можливим виявляти дуже незначні кількості речовини аж до окремих молекул. Механізм раманівського розсіювання остаточно нез’ясований, вважається, що цей феномен пов’язаний із нерівностями на поверхні металічних наночастинок, їх агрегацією, розташуванням молекули визначуваної речовини. Отже, гігантське раманівське розсіювання може, і на даний час вже використовується у надточних методах визначення біологічно активних речовин в організмі людини.

Інша важлива властивість наночастинок і нанопокриттів золота на відміну від макроскопічних об’єктів – їх хімічна активність. Відомо, що золото нанорівня має високу спорідненість до тіолових (-SH) груп. Це відкриває широкі можливості для поєднання НЧЗ із різноманітними молекулами (в тому числі і макромолекулами) шляхом хімічної взаємодії з поверхнями наночастинок. Цей прийом отримав назву кон’югації, а у випадку приєднання біологічно активних сполук – біокон’югації. НЧЗ можуть переносити специфічні розпізнавальні молекули (антитіла та антигени, ДНК, ферменти, біотин або стрептавідин тощо) і використовуватись у імунологічних та біохімічних дослідженнях, а також у лікуванні. Іноді, коли молекула не має тіолової групи, цю групу приєднують шляхом хімічного синтезу або генно-інженерними методами. У деяких випадках біомолекули приєднуються до поверхні НЧЗ не ковалентно, а шляхом електростатичних, гідрофільних та гідрофобних взаємодій [Huang X., 2008].

Колоїдним розчинам НЧЗ властива агрегативна нестійкість, особливо у присутності іонів (Na⁺, К⁺ тощо). Для зменшення нестійкості загальноприйнятим є метод функціоналізації – покриття поверхні наночастинки хімічними речовинами з метою покращення її властивостей. Для функціоналізації використовують поверхнево активні речовини (натрію додецилсульфат, цетилтриметиламонію бромід, тетраметиламонію бромід), полімери – поліетиленгліколь, полістиренсульфонат, а також полі-L глютамінова кислота [Shim J-Y. et al., 2007]. Функціоналізовані НЧЗ зберігають агрегативну стійкість протягом кількох місяців [Huang X. et al., 2008].

Висока каталітична активність – ще одна властивість золота, яка проявляється на нанорівні. Вона пов’язана із наявністю великої кількості поверхневих атомів золота, які взаємодіють із субстратом. Запропоновано деякі методики, які використовують каталітичну активність НЧЗ. Золото у поєднанні із оксидом церію каталізує реакцію окиснення чадного газу у вуглекислий [Chen J. еt al., 2007]. Не менш важливими є й електрохімічні властивості НЧЗ, які використовуються у низці методик у ролі елементів нанобіосенсорів.

Особливої уваги в контексті медичного застосування слід звернути на токсичність нанозолота. У ряді робіт вказується, що НЧЗ мають низьку цитотоксичність [Son S. J. еt al., 2007] та високу біосумісність. Незважаючи на це,

бракує досліджень щодо токсичності нанозолота in vivo, що має бути необхідним етапом перед клінічними випробуваннями препаратів на основі НЧЗ.

Наночастинки, які використовують у біомедичних дослідженнях.Як правило використовують такі типи наночастинок: нанострижні (nanorods), наносфери (nanospheres), наноскоринки (nanoshells).

Нанострижні – це одновимірні наночастинки прямокутної форми із заокругленими кінцями та співвідношенням ширина/діаметр менш ніж 10 [Chen J. еt al., 2007]. Для нанострижнів характерна найвища енергія плазмонового поля серед усіх інших НЧЗ, що й визначає їх застосування [Son S. J. еt al., 2007]. У зв’язку із цим слід відмітити оптичні властивості нанострижнів. Вони мають два діапазони поглинання світлових хвиль: перший в області ближнього ІЧ-світла (800 нм), який зумовлений поздовжніми коливаннями електронів плазмонового поля; другий, в області, 520 нм зумовлений поперечними коливаннями, для якого відмічена порівняно менша інтенсивність. Поглинання ближнього ІЧ-світла залежить від співвідношення довжина/ширина, що відкриває можливості оптичного „налагодження” нанострижнів під ту чи іншу довжину хвилі випромінюваного світла [Oyelere A. K. et al., 2007]. Найбільш ефективними для медичних цілей є нанострижні з довжиною 17-70 нм [Huang X. et al., 2008].

Золоті „наноскоринки” – це новий тип оптично настроюваних наночастинок, що складаються з діелектричної серцевини, оточеної тонкою коркою із металічного срібла чи золота [Son S. J. et al., 2007]. Їм, як і нанострижням властивий поверхневий плазмоновий резонанс. Ці наноматеріали можуть використовувати у лікуванні, як контрастні агенти. Оптимальний діаметр для медичних досліджень становить 50-100 нм із товщиною шару золота або срібла 4-8 нм.

Наносфери, як і «наноскоринки» мають округлу форму, найбільш ефективний діаметр для них – 30 – 40нм [Huang X. et al., 2008].

У медичних цілях можна використовувати й інші наночастинки – нанотрубки, наночастинки нерегулярної форми, а також нанопокриття. Останні застосовують у виробництві нанобіосенсорів та деяких фармакологічних дослідженнях.

Нанозолто у діагностиці.Інтенсивні дослідження в області наномедицини сформували цілий окремий напрямок – нанодіагностику. Нанодіагностика – це застосування матеріалів, приладів або систем для клінічної діагностики, що мають нанорозміри.Згідно досліджень (Baptista P. et al., 2008; Service R. F., 2008) діагностика, заснована на НЧЗ, може бути поділена на три підходи:

1. Застосування властивості золотих наночастинок змінювати колір при агрегації. Найбільш досліджений приклад: функціоналізовані однонитковими ДНК наночастинки здатні до специфічної гібридазіції з комплементарними мішенями для визначення специфічних послідовностей.

2. Використання наночастинок у ролі „серцевини”, вкритої специфічними функціональними групами або біомолекулами для забезпечення високоселективних „міток” для діагнозу.

3. Використання наночастинок із золота у електрохімічних методах, пов'язаних із осадженням металу для підсилення сигналу.

Перший підхід включає хімічне приєднання специфічних олігонуклеотидних послідовностей (як правило, тіол-модифікованих) до НЧЗ, комплементарних до фрагментів тих, які необхідно виявити у досліджуваному матеріалі. Зважаючи на значне співвідношення площі поверхні НЧЗ до об’єму, дані структури можуть нести велику кількість таких послідовностей, підсилюючи чутливість методу. Хоча щільна функціоналізація молекулами ДНК пов’язана із низкою труднощів, [Lee J. S. et al., 2009] вдалося досягти певного успіху, використовуючи наночастинки довжиною всього 2 нм. Гібридизація з комплементарними послідовностями призводить до агрегації наночастинок, і як наслідок, зміни оптичних властивостей колоїдного розчину, що їх містить. Це супроводжується зміною забарвлення, що може бути помічена неозброєним оком, а також зареєстрована спектрофотометрично. При незначних концентраціях визначуваної ДНК (порядку 1*10^-15 моль), можливе застосування „срібного підсилення” [Thaxton C. S. et al., 2006; Hou S-Y. et al., 2007]. Це означає, що НЧЗ, зв’язані із визначуваною послідовністю і очищені від незв’язаних, покриваються срібною плівкою шляхом відновлення іонів срібла у присутності гідрохінону, чи інших відновників. Після нашарування такого покриття оптичний сигнал від наночастинок значно підсилюється.

Окрім цього, можливе визначення не однієї, а одразу кількох необхідних ДНК-послідовностей у матеріалі, чого неможливо досягнути традиційними методами. Ще одна перевага даного підходу – можливість визначення необхідних послідовностей в присутності інших, «непотрібних» із високою специфічністю.

Методика, заснована на агрегації НЧЗ має ще одну перевагу: інтервал температури плавлення (тобто температури, при якій комплементарні зв’язки розриваються) гібридизованих ДНК стає дуже невеликим. Розрив комплементарних зв’язків відбувається стрибкоподібно, змінюються й оптичні властивості розчину (зміна кольору, довжини хвилі, при якій спостерігається максимальне оптичне поглинання). При цьому сама температура плавлення сильно залежить від комплементарності, можливо виявити неспівпадання одного або кількох нуклеотидів.

Простота, висока специфічність та чутливість роблять метод, заснований на НЧЗ, кон’югованих з ДНК, дуже перспективним у використанні в клінічній практиці. Завдяки виявленню специфічних маркерів хвороб (вірусних захворювань, злоякісних новоутворень, тощо) без використання складних методик і дорого обладнання стає можливим діагностування патологій на ранній стадії, і як наслідок, проведення ефективнішого лікування [Ding Y. et al., 2007].

Даний підхід може бути використаний для детекції інших специфічних маркерів, які не є нуклеїновими кислотами. Одним із них є розроблений [Lee J. S. et al., 2008] метод визначення амінокислоти цистеїну, який як відомо, є маркером деяких патологій. Для цього використовували золоті наночастинки діаметром порядку 20 нм, функціоналізовані комплементарними однонитковими ДНК з відомими послідовністями. До розчину з такими ДНК додавали сіль двовалентної ртуті, яка зв'язувалася з тиміном, утворюючи тимінові димери між двома комплементарними ланцюгами, спричинюючи агрегацію наночастинок. У присутності цистеїну, який зв’язував іони ртуті, тимінові димери зникали. При цьому спостерігали зміну кольору (фіолетовий – червоний), який можна було зареєструвати як неозброєним оком, так і на спектрофотометрі. Відомо, що комплекси ДНК із ртуттю стабільніші, ніж гібридизовані молекули без неї і тому мають вищу температуру плавлення. Дана властивість і була використана при аналізі. Цей метод є чутливішим, ніж всі інші й дозволяє виявляти концентрації цистеїну до 100 нМоль/л. Селективність була перевірена з іншими амінокислотами і виявлено, що навіть сірковмісний метіонін не здатен зв’язувати двовалентну ртуть.

Ще одна методика, заснована на агрегації НЧЗ – виявлення іншої амінокислоти – гомоцистеїну [Lim I.-I. et al., 2007]. Відомо, що присутність гомоцистеїну у концентраціях вище 15 мкмоль/л є маркером таких патологій як хвороба Альцгеймера, остеопороз, серцево-судинних захворювань. Для кількісного виявлення гомоцистеїну у таких невеликих концентраціях використали колоїдні розчини сферичних НЧЗ (середня довжина – 11,4 нм). Метод заснований на тому, що НЧЗ мають високу спорідненість до сульфгідрильних груп і тому реагують із гомоцистеїном. При цьому вони об’єднуються у кластери за рахунок утворення водневих зв’язків між молекулами гомоцистеїну. Як наслідок змінюється оптичне поглинання розчину та його колір (червоний – блакитний). Як і в попередньому випадку ці зміни можуть бути зареєстровані.

Як зазначалося вище, НЧЗ можуть бути кон’юговані із різноманітними специфічними розпізнавальними молекулами. Найчастіше ними є антитіла (деякі автори такі наночастинки називають „імунозолото”). Запропоновано цілу низку методик імуноаналізу із застосуванням таких кон’югатів. Слід відзначити дослідження [Huang X. et al., 2007], де використали золоті наностерижні із співвідношенням довжина/ширина 3,9 та максимумом поглинання в області ближнього ІЧ-світла у діагностиці епітеліальної карциноми. Для покращення стійкості і підвищення біосумісності нанострижні були оброблені полістиренсульфонатом, після чого нековалентно з’єднані із специфічними антитілами до рецепторів епітеліального фактору росту. Як відомо велика кількість таких рецепторів притаманна раковим клітинам епітеліальної карциноми. Зважаючи на оптичні властивості НЧЗ, були отримані чіткі зображення ракових клітин за допомогою темнопольної мікроскопії, а також досліджено раманівський спектр таких кон’югатів. Дослідники виявили, що НЧЗ рівномірно вкривають поверхню ракових клітин, спричиняючи появу сильних сигналів у раманівському спектрі на відміну від нормальних клітин. Для підсилення раманівського розсіювання автори застосували поверхнево-активну речовину – цетилтриметиламонію бромід.

Інша методика діагностики злоякісних пухлин запропонована [Durr N. J. et al., 2007]. Даний метод базується на властивості НЧЗ змінювати колір до двох-фотонної люмінесценції під дією Ті-сапфірового лазеру. За допомогою даного методу були отримані чіткі тривимірні зображення ракових клітин, що знаходились на глибині до 75 мкм, у розчині колагену, який імітував тканинне оточення. Окреме дослідження двох-фотонної люмінесценції нанозолота проведене Bloemendal D. (2006). Дослідники [Peng Z. et al., 2007] розробили методику імуноаналізу людських антитіл, засновану на здатності НЧЗ гасити флюоресценцію деяких речовин. Отримавши стабільний колоїдний розчин із наночастинками довжиною 15 нм за допомогою бичачого сироваткового альбуміну, до нього додали баранячі анти-IgG до антитіл людини. Вони нековалентно приєднувались до НЧЗ шляхом адсорбції та гідрофобних взаємодій. Після цього виготовили стандартні розчини визначуваного агенту – IgG людини. У спеціальних камерах з полістирену з адсорбованими на дні антитілами баранячих анти-IgG проводили аналіз. При додаванні всіх компонентів утворювався своєрідний „сандвіч”, на поверхні якого знаходились баранячі анти-IgG, сорбовані на нанозолоті. Отримані розчини із імунокомплексами розбавляли та піддавали дії УЗ-хвиль, іонів та різного pH з метою дисоціації НЧЗ та антитіл. Після цього додавали флуоресцеїн – сильний нуклеофіл, який формував стабільні комплекси із НЧЗ, які гасили його флуоресцентний сигнал при дії світла з певною довжиною хвилі. Отже, чим більша концентрація НЧЗ, тим більше гасився сигнал, таким чином, автори встановили залежність між концентрацією визначуваного антитіла та сигналом. Інтенсивність сигналу обернено пропорційно залежить від логарифму концентрації визначуваних антитіл. Границя визначення імуноаналізу становить 4,7 нг/мл і є нижчою за такі для традиційних імунологічних досліджень.

При застосуванні НЧЗ у діагностиці важливими є не тільки оптичні сигнали. Цікаве дослідження провели [Eghtedari M. et al., 2007]. Автори пропонують оптоакустичний метод у діагностиці раку. В основі методу лежить здатність НЧЗ під впливом ближнього ІЧ-світла виділяти тепло. Воно в свою чергу може передаватися оточуючим тканинам і перетворюватись у звукові хвилі, які можуть бути зареєстровані УЗ-приймачем. Таким чином дослідники поєднали високу селективність біокон’югатів нанострижнівзолота і антитіл та високу роздільну здатність УЗ-дослідження. Визначені оптимальні параметри нанострижнів для дослідження – ширина 15 нм та довжина 50 нм. Експерименти проводили на спеціальних лініях мишей. Вводили колоїдні розчини в пікомолярних концентраціях нанострижнів у фосфатному буфері шляхом підшкірних ін’єкцій. Для зменшення токсичності зазвичай використовуваний при стабілізації цетилтриметиламонію бромід замінений на менш токсичні поліетиленгліколь і полінатрій-4-стиренсульфонат. При опроміненні александритовим лазером, налаштованим на довжину хвилі, яка відповідає плазмоновому резонансу нанострижнів, реєстрували УЗ-сигнали. Вдалось отримати чіткі зображення локалізації наночастинок у тілі миші. Автори зазначають, що на відміну від методів, де реєструють оптичні сигнали, цей може бути застосований у діагностиці пухлин, розташованих глибоко в тілі. Окрім цього, він має перевагу перед традиційними методами (магнітно-резонансна томографія), тому що концентрації НЧЗ необхідні для отримання зображень, у 75 разів менші за концентрації контрастних речовин, які використовують у магнітно-резонансній томографії.

Окрім антитіл у ролі специфічних розпізнавальних біомолекул також використовують так звані аптамери. Аптамер – це олігонуклеотид (ДНК або РНК), який, подібно до антитіл, може специфічно зв’язуватись із молекулою-мішенню (білок, поліпептид або окремий вірус чи клітина); їх ще називають „біоштрих-кодами” (bio barcode). У роботі [He P. et al., 2007] використали аптамер-кон’юговані НЧЗ у надчутливому методі виявлення тромбіну. Метод полягає у тому, що плазму або розчин тромбіну на мікропластинці змішували із кон’югатами. При цьому на поверхні пластинки знаходились іммобілізовані моно- або поліклональні антитіла до тромбіну. Таким чином тромбін потрапляв у так званий „сандвіч” між іммобілізованим антитілами та специфічними до нього аптамер-кон’югованими НЧЗ. Ці аптамери містять велику кількість аденіну, що й було використано для підсилення сигналу. Після очищення вищезгаданих комплексів від надлишку реагентів, їх обробили нуклеазами, внаслідок чого вивільнилась велика кількість вільного аденіну, що потім виявлявся електрохімічними методами. Завдяки тому, що НЧЗ можуть нести на собі значну кількість аптамерів, метод є дуже чутливим і дозволяє визначати тромбін у концентраціях порядку нг/мл. Перевагами такого аналізу також є його простота і селективність (жоден інший компонент крові не впливав на визначення, в тому числі й протромбін).

Ще один метод із застосуванням „біоштрих-кодів” розроблено [Sioss J. A. et al., 2007]. Для цього шляхом темплатного синтезу створили нанонитки, які складались із сегментів золота та срібла, та вкрили їх нанопокриттям із силіцію, щоб уникнути окиснення. За допомогою сполуки під назвою sulfo-SMCC до таких нанотрубок приєднали тіол-модифіковану ДНК, специфічну до фрагментів послідовностей вірусів гепатиту В, С та ВІЛ. Визначали інтенсивність флуоресценції за рахунок приєднаної до послідовностей оптичної мітки. Виявлена висока специфічність: ДНК-асоційовані нанотрубки погано гібридизували з послідовностями, які містили незначні неспівпадання (точкові мутації).

Золото нанорозмірів застосовують також для підсилення сигналу як вже існуючих біосенсорів так і при створенні нових. Зокрема, автори [Ding Y. et al., 2007] повідомляють про створення гібридних гідроксиапатит-золотих наночастинок для удосконалення вже створеного імуносенсору з кристалу кварцу. Його робота заснована на п’єзоефекті і цей пристрій має виключну чутливість, необхідну для проведення імунологічних досліджень. Однак застосування його на практиці обмежене через відсутність оптимальної поверхні для приєднання максимальної кількості антитіл. Такою поверхнею стали гібридні наночастинки гідроксиапатиту та золота, функціоналізовані антитілами, специфічними до альфа-фетопротеїну, відомого як маркер гепатокарциноми. Гібридні частинки були хімічно приєднані до поверхні імуносенсору. Про наявність визначуваного білку судили за зміною частоти електричного струму внаслідок змін провідності на поверхні, що пов’язано із утворенням імунокомплексів. Чутливість наносенсору виявилась високою (до десятків нг/мл, що є прийнятним результатом) і порівняною з традиційним методом хемілюмінісцентного імуноаналізу. Важливою також є відторюваність сигналу, яка забезпечується процедурою регенерації – промиванням у розчинах сильних лугів та кислот.