Журнал Биотехнологии. Теория и практика. 1, 2010 г

Подождите немного. Документ загружается.

НЕВИДИМАЯ ГРАНИЦА: ГДЕ

СТАЛКИВАЮТСЯ «НАНО» И «БИО»

Наночастицы

с антимикробными

свойствами

Биосовместимость

наночастиц

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Комитет науки

Национальный центр биотехнологии Республики Казахстан

БИОТЕХНОЛОГИЯ

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

1/2010

МАЗМҰНЫ

ШОЛЫМА МАҚАЛАЛАР

А. Чугунов

Көрінбейтін шекара: ол жерде «нано» жəне «био»

қақтығысады .....................................................................3

А.Р. Акильжанова

Сүт безінің қатерлі ісігіне əсер ететін генетикалық

қауып қатер факторлары ..............................................17

С.С. Бүркітбаева, Т. Н. Криворучко, А.Б. Əбеев,

Е.А. Нечаева, И.Ф. Радаева, А.Е. Гуляев

Қызылша вакциналарының жаңа варианттары-

ның пайда болу перспективалары ...............................35

БІРТУМАЛЫ МАҚАЛАЛАР

С.К. Мухамбетжанов, С.В. Нам, Н.А. Вечерко,

В.К. Мурсалиева

Раушандар in vitro өсуі мен дамуына əсер

ететін факторлар .............................................................41

М.Ж. Мыңбаева, С.С. Ануарбекова, Қ.Х. Əлмағамбетов

Bacillus subtilis кейбір пробиотикалық

қасиеттерін бағалау ........................................................53

А.А. Чистякова

Нуклеотидтiк тiзбектегi Brucella abortus Omp 16

мембрандық протеиннiң Nicotiana tabacum ядролық

өзгеруi .................................................................................58

К. Тұрсұнов, К. Кокаби, Қ.Н. Мұқантаев,

Қ.Қ. Мұқанов, Е.М. Раманқұлов, Д.Д. Харлампиева,

С.А. Левицкий, В.Н. Лазарев

Аусыл вирусының гені 3 А құрылымсыз белогына

E. coli гетерологиялық экспрессиясын клондау

жəне рекомбинантты полипептидтерді бөлу ..............70

В.Т. Кумашева, Ғ.А. Даңлыбаева, В.Б. Огай

Егеуқұйрықтың тері асты шандырларынан бөлініп

алынған LYVE-1+макрофагтардың функционалдық

белсенділігі .......................................................................77

З.С. Сармурзина, С.С. Ануарбекова, Қ.Х. Əлмағамбетов

Липолиздік, протеолиздік жəне липазалық

белсенділігі бар бациллалардың коллекциялық

штаммдары мен изоляттарын сипаттау .....................84

А.Ү. Тұяқбаева, А.Ұ. Шоқпарова, А.Қ. Саданов

Табиғи сорбенттерде иммобилизденген көмірсутек

тотық-тырғыш микроағзалары клеткаларының

мұнайды тотықтырғыш белсенділігі мен өмір сүру

қабілетін анықтау ............................................................89

О.Н. Əуезова, Г.С. Айдарханова

Мұнаймен ластанған топырақ қалдықтарындағы

ашытқы дақылдарын анықтау жəне олардың

мұнайды ыдырату қабілеттілігін зерттеу ...................95

СОДЕРЖАНИЕ

ОБЗОРНЫЕ СТАТЬИ

А. Чугунов

Невидимая граница: где сталкиваются «нано»

и «био» ..................................................................................3

А.Р. Акильжанова

Генетическая предраспо-ложенность к раку

молочной железы .............................................................17

С.С. Буркитбаева, Т. Н. Криворучко, А.Б. Абеев,

Е.А. Нечаева, И.Ф. Радаева, А.Е. Гуляев

Перспективы появления новых вариантов

коревой вакцины ............................................................35

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

С.К. Мухамбетжанов, С.В. Нам, Н.А. Вечерко,

В.К. Мурсалиева

Факторы, влияющие на рост и развитие роз

in vitro .................................................................................41

М.Ж. Мынбаева, С.С. Ануарбекова, К.Х. Алмагамбетов

Оценка некоторых пробиотических свойств

Bacillus subtilis ...................................................................53

А.А. Чистякова

Ядерная трансформация Nicotiana tabacum

нуклеотидной последовательностью мембранного

протеина Brucella abortus Omp 16 ...............................58

К. Турсунов, К. Кокаби, К.Н. Мукантаев,

К.К. Муканов, Е.М. Раманкулов, Д.Д. Харлампиева,

С.А. Левицкий, В.Н. Лазарев

Клонирование, гетерологичная экспрессия в E. coli,

гена 3 А неструктурного белка вируса ящура

и очистка рекомбинантного полипептида ..................70

В.Т. Кумашева, Ғ.А. Данлыбаева, В.Б. Огай

Функциональная активность

LYVE-1+макрофагов, выделенных из подкожной

фасции крыс .....................................................................77

З.С. Сармурзина, С.С. Ануарбекова, К.Х. Алмагамбетов

Характеристика изолятов и коллекционных

штаммов бацилл, обладающих липолитической,

протео-литической и липазной активностью ...........84

А.У. Туякбаева, А.У. Чукпарова, А.К. Саданов

Изучение жизнеспособности и нефтеокисляющей

активности клеток углеводородокисляющих

микроорганизмов, иммобилизованных на

природных сорбентах .....................................................89

О.Н. Ауэзова, Г.С. Айдарханова

Нефтеутилизирующая способность и

идентификация дрожжей, выделенных

из нефтешлама .................................................................95

ISSN 1028-9399

БИОТЕХНОЛОГИЯ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

№ 1 2010

Главный редактор:

Раманкулов Е.М., PhD

Заместитель главного редактора:

Муканов К.К., д.в.н., профессор

Ответственные секретари:

Рябушкина Н.А., к.б.н.,

Гурцкая Г.М., к.м.н.

Корректор:

Гусак Н.П.

Дизайнер:

Мустафин М.К.

Члены редколлегии:

Байгенжин А.К., д.м.н., профессор,

Берсимбаев Р.И., д.б.н., профессор, академик НАН РК,

Булашев А.К., д.в.н., профессор,

Беляев Н.Н., д.б.н., профессор,

Гуляев А.Е., д.м.н., профессор

Жамбакин К.Ж., д.б.н., профессор,

Жубанова А.А., д.б.н., профессор,

Искаков Б.К., д.б.н., профессор,

Мамадалиев С.М., д.в.н., профессор,

Рахимбаев И.Р., д.б.н., профессор, академик НАН РК,

Саданов А.К., д.б.н., профессор,

Тойшибеков М.М., д.б.н., профессор, академик НАН РК

Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан

Учредитель журнала:

Национальный центр биотехнологии

Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан

Адрес редакции: г. Астана, ул. Валиханова, 13/1

Тираж: 200 экз.

Полиграфический центр «Жарқын Ко», 010000, г. Астана, пр. Абая, 57/1

E-mail: info@jarkyn.kz, jarkin@mail.ru

www.zharkyn.kz

П Р А В И Л А

издания журнала «Биотехнология. Теория и практика»

Журнал публикует статьи фундаментального и прикладного характера. Материалы публикаций

должны отражать результаты научных исследований по биотехнологии, касающихся проблем в

областях растениеводства, ветеринарии, экологии, пищевой промышленности, медицины.

Издание имеет следующие рубрики:

1. Обзорные статьи

2. Оригинальные статьи

3. Реферативные сообщения

4. Сообщения зарубежных ученых

К оформлению публикаций предъявляются следующие требования:

1. К статье прилагаются сопроводительные документы: акт экспертизы, резюме на русском,

казахском и английском языках, 2 отзыва ведущих ученых.

2. Статья должна быть отпечатана в 2-х экземплярах на одной стороне стандартного листа, с

одинарным интервалом между строками, размер шрифта 12, поля сверху, снизу и справа 2 см, слева

4 см и иметь разделы: введение, материалы и методы, результаты и обсуждение, выводы, литература.

К статье должен прилагаться электронный вариант (USB-накопитель (флэш-карта), CD-, DVD-диск).

3. В начале статьи даются УДК, название статьи, инициалы и фамилии авторов, e-mail авторов,

название учреждения, в котором выполнена работа, с указанием города. В конце статьи должна быть

подпись каждого автора с указанием должности, ученой степени, ученого звания, фамилии, имени,

отчества, адреса и телефона.

4. Фотографии, рисунки, схемы должны быть контрастными, четкими, озаглавлены и

пронумерованы. Комментарии к таблицам (не более 5) должны носить сравнительный характер и не

повторять содержания таблиц.

5. Статья должна быть тщательно выверена автором. Корректура автору не высылается, сверка

проводится по авторскому оригиналу в формате MS Word 6.0-2000 for Windows.

6. Статьи могут представляться на казахском, русском и английском языках.

7. Сокращение слов, имен, названий, кроме общепринятых, не допускается. Единицы измерений

даются в Международной системе СИ. Аббревиатуры и латинские названия расшифровываются после

первого появления в тексте и остаются неизменными.

8. Список литературы составляется согласно последовательности цитирования по

тексту. В тексте дается ссылка на порядковый номер источника в квадратных скобках. Ссылка на

неопубликованные работы не допускается. При описании статей из журналов указывается Ф.И.О.

авторов, название статьи, название журнала, место издания, год, том, номер, страницы. При описании

статьи из сборников указывается Ф.И.О. авторов, название статьи, название сборника, место и год

издания, количество страниц. При описании монографий указываются Ф.И.О., название монографии,

место издания, название издательства, год издания, количество страниц. При описании главы из

монографии Ф.И.О. автора главы, название главы, Ф.И.О. автора монографии, название монографии,

место издания, год издания, страницы. Количество источников в статье не должно превышать 20, в

обзоре литературы 50 за прошедшие 5-10 лет.

9. Направление в редакцию работ, ранее опубликованных или представленных к печати в

другие редакции, не допускается.

10. Не соответствующие Правилам статьи не публикуются и не высылаются автору. Редакция

оставляет за собой право производить сокращения и редакционные изменения.

3Биотехнология. Теория и практика. №1 2010

ОБЗОрНые Статьи

В последние годы приставка «нано» стала известна даже тем, кто не имеет представления о её

численном значении, а форсированное развитие нанотехнологий ставит вопросы, связанные с об-

щественной безопасностью манипуляций с частицами, чей размер сопоставим с наиболее мелкими

объектами в биологической иерархии наших организмов. Потенциал применения нанотехнологий

в медицине огромен, но, как и пресловутая палка, обоюдоостр: за наноскопическим барьером скры-

ваются не только чудеса, но и угрозы. Для адекватной оценки этих опасностей необходимо чётко

представлять механизмы взаимодействий, возникающих в области непосредственного контакта ис-

кусственных наночастиц и клеток живого организма. Эта статья рассказывает о таких взаимодей-

ствиях и иллюстрирует потенциальную пользу и вред от использования нанообъектов в медицине.

В последние годы в России нанотехнологии стали притчей во языцех, и сама

приставка «нано-» даже стала частенько использоваться с определённым оттенком

издёвки, отражающим несколько нездоровый ажиотаж, раздуваемый государственными

корпорациями в этой сфере исследований. Но общественное мнение и правительственные

тендеры сами по себе, а нанотехнологии всё же, бесспорно, являются мощнейшей

парадигмой, заключающей в себе новый технологический уклад, который в будущем,

несомненно, станет основой очередной пост-постиндустриальной революции.

Что же нанотехнологии могут предложить обществу, если отвлечься от сугубо

фундаментальных научных исследований? Если перечислять очень кратко, то это и

материалы с необычными свойствами (наноматериалы), и наномедицина, и фармацевтика,

обещающие не только принципиально новые средства диагностики, но и мощную

платформу для лечения многих заболеваний, и электроника, и новые приборы и методы

исследований, и новый подход к робототехнике, и системы вооружения, и многое

другое. Отдельно стоит отметить область так называемых нанобиотехнологий, которой

предрекают стать революционной в здравоохранении [1]. Наночастицы начали в массовом

порядке применяться и в косметических составах – чаще всего, в солнцезащитных кремах,

кондиционерах и лосьонах.

Само собой, ни один принципиально новый инструмент, как и оружие, не может сам

по себе работать только во благо человечества. Нанотехнологии несут в себе, наряду

с неслыханными возможностями, и потенциальные угрозы, под определённым углом

выглядящие тем более устрашающими, поскольку про них (угрозы) очень мало известно.

Даже если оставить в стороне «страшилку» под не очень приятным названием «серая

слизь» и рассмотреть проблему беспристрастно, нанотехнологии могут таить много

опасностей, обезопаситься от которых можно только основательно их изучив.

Дело в первую очередь в том, что искусственно созданные нанообъекты обладают

свойствами, не существовавшими в природе ранее или не встречавшимися в определённом

контексте (например, в организме человека). Поскольку организм состоит из сложным

образом организованных молекул, на определённом уровне его вполне правомочно

описывать в терминах нанообъектов (таких как, например, рибосома, скользящая по

нити мРНК, или везикулы, перемещающиеся внутри клетки по «канатам» цитоскелета).

Возможная опасность искусственных наночастиц связана с тем, что они могут начать

взаимодействовать с естественными нанообъектами непредсказуемым образом. Какое,

например, действие оказывают дисперсии наночастиц на организм человека при длительном

НеВиДиМая ГраНиЦа: ГДе СтаЛКиВаЮтСя «НаНО» и «БиО»

Чугунов Антон

4 Биотехнология. Теория и практика. №1 2010

контакте с ними? Или как отразится на работе клетки попадание в межклеточную среду

углеродных нанотрубок?

Этот обзор посвящён рассмотрению явлений, возникающих в области контакта

искусственных нанообъектов с биологическими системами («интерфейс „нано–био“»), а

также физических, физико-химических и биологических эффектов, сопровождающих эти

взаимодействия. В заключение будут даны примеры болезнетворного и лечебного влияния

нанообъектов на организм человека, которые подтверждают, что окончательный эффект

зависит не от самих нанотехнологий, а от умения пользоваться ими в своих интересах.

Зона контакта между «нано» и «био»

Коллоидный по своей природе, интерфейс нано–био подразделяется на три

динамические компоненты: (1) поверхность самой наночастицы, свойства которой

определяются размером и физико-химическими параметрами; (2) интерфейс «твёрдое–

жидкость» между наночастицей и окружающей средой и (3) собственно интерфейс нано–

био – область, где наночастица взаимодействует с биологическим объектом. Наиболее

важные характеристики, определяющие поверхностную активность – химический

состав частицы, наличие функциональных химических групп на поверхности, форма и

радиус кривизны поверхности, её гетерогенность и пористость, а также гидрофильность/

гидрофобность (более подробно – на рис. 1).

Рис. 1. Пример организации интерфейса «нано–био»: наночастица и липидная мембрана [2, 3].

В отличие от довольно хорошо изученных коллоидной химией «обычных»

поверхностей раздела твёрдое–жидкое, соответствующий интерфейс в случае наночастиц

в биологическом окружении представляет собой существенно нестационарную систему.

Тут уже не действуют формулы для расчёта заряда, изоэлектрической точки, среднего

размера агрегатов и других величин, полученные для случая равновесия. Принципиальная

нестационарность и негомогенность интерфейса нано–био обусловливается сложной

структурой белково-углеводно-липидного матрикса мембраны и постоянно меняющимся

из-за клеточной секреции и потоков тканевых жидкостей составом окружающей среды. Эти

5Биотехнология. Теория и практика. №1 2010

изменения могут повлечь модификацию свойств поверхности наночастицы, а наночастица,

в свою очередь, может повлиять на химический состав среды, частично растворяясь в

ней или катализируя различные окислительные процессы и генерацию активных форм

кислорода (АФК) (рис. 1).

При захвате наночастицы внутрь клетки она встречается со всё новыми и новыми

интерфейсами – уже внутриклеточными. Детальная характеризация процессов и

действующих сил на этих границах разделов может стать – и уже становится – основой

новых высокоточных методов биологических исследований.

Силы, формирующие интерфейс нано–био

На первый взгляд может показаться, что в случае наночастиц в биологической системе

действуют все те же силы, что и в классических задачах коллоидной химии. Действительно,

тут работают и силы ван-дер-Ваальса, и электростатика, и влияние растворителя, и

гидрофобный эффект. Однако требуется существенная корректировка предпосылок с

учётом наноскопического масштаба происходящего и наличия в системе биологических

объектов. Особенность наносистем заключается в том, что они содержат сравнительно

небольшое число атомов, и характер взаимодействия между частицами будет существенно

зависеть от их взаимной ориентации и диэлектрической проницаемости (рис. 2). Чтобы

подчеркнуть био особенности интерфейса нано–био, можно сравнить силы, связывающие

две взаимодействующие наночастицы SiO

, и силы между такой же частицей SiO

и живой

клеткой (например, фибробластом).

Рис. 2. Взаимодействия между наночастицами [2].

Взаимодействие «простых» коллоидных частиц изучает теория ДЛФО (название происходит от

фамилий Дерягина, Ландау, Фервея и Овербека).

Две неорганические наночастицы SiO

в растворе притягиваются под действием сил

ван-дер-Ваальса и расталкиваются электростатическим взаимодействием, поскольку

поверхности обеих частиц в растворе ионизуются и получают отрицательный заряд. (В

биологических жидкостях, имеющих ионную силу порядка 150 мМ, электростатические

взаимодействия могут быть экранированы за счёт диэлектрической проницаемости.)

Существенную роль играют также сольватационный и гидрофобный эффекты. Эти явления

довольно хорошо изучены в коллоидной теории ДЛФО (рис. 2, табл. 1).

В случае взаимодействия с фибробластом действующие силы остаются в принципе те

же, только существенно меняется конфигурация системы. Прежде всего, мембрана может

деформироваться и постоянно меняет форму, что сразу уводит нас очень далеко от решения

6 Биотехнология. Теория и практика. №1 2010

задачи из учебника. Дополнительную сложность привносит «лоскутная» гетерогенная

организация мембраны, в которой и белки, и липиды образуют «островки» (рафты). Ну и,

конечно, самое главное отличие – что клетки не являются пассивным объектом из учебной

задачи: они постоянно транспортируют ионы, секретируют белки, меняют форму, – словом,

образуют с наночастицей динамический интерфейс. Окончательно отказаться от попытки

теоретически моделировать эти процессы заставляет возможность эндоцитоза – «захвата»

наночастицы внутрь клетки.

Таблица 1

Основные силы, возникающие в области взаимодействия

нанообъектов и биологических систем [2]

Сила Природа возникновения

Даль-

ность

(нм)

Вклад в структуру интерфейса

Гидродинами-

ческие силы

Конвекционные потоки, дефор-

мация и броуновская диффузия в

наноскопических интерфейсах часто

затруднены или, наоборот, усилены

–10

Увеличение частоты столкновений

между частицами

Электродинами-

ческие

взаимодействия

Ван-дер-Ваальсовы силы между

взаимодействующими частицами и

средой

1–100 В водных растворах всегда обуслов-

ливают притяжение; в биологической

среде сила взаимодействия уменьшена

Электростати-

ческие

взаимодействия

Заряженные поверхности притягивают

противоионы и отталкивают ионы

того же заряда, формируя двойной

электростатический слой

1–100 Перекрывающиеся двойные слои в

большинстве случаев растал ки ваются,

поскольку поверхности боль шинства

материалов в раст воре ионизуются

отрица тельно; в случае противо по-

ложных зарядов возможно притяжение

Эффекты раство-

рителя и гидро-

фобный эффект

Гидрофильные материалы выгодно

взаимодействуют с растворителем

1–10 Гидрофильные материалы стабиль ны в

растворе и не агрегируют

Гидрофобные материалы «стараются»

экранироваться от растворителя

Гидрофобные материалы спонтанно

выпадают из раствора, образуя

нерастворимые агрегаты, оседающие

на интерфейсе

Пространст-

венные

(стерические)

взаимодействия

Полимеры, адсорбировавшиеся

на поверхности неорганических

наночастиц или биополимерной

оболочке клетки, «расталкиваются» с

другими интерфейсами

1–100 В целом увеличивают стабиль-

ность частиц, но возможны эффекты

типа эндоцитоза, особенно в случае

«укрывания» водорастворимым

полимером

Полимерные

мостики

Полимеры с заряженными группами,

адсорбировавшиеся на поверхности

неорганических наночастиц или

биополимерной оболочке клетки,

могут притяги ваться к участкам

противоположно заряженных

поверхностей

1–100 В целом увеличивают агрегацию,

особенно при наличии в полимере

карбоксильных групп, а в растворе –

ионов кальция

В итоге мы имеем дело с практически бесконечным числом разновидностей

«интерфейсов» между наночастицами и биологическими объектами, поскольку

наночастицы отличаются и геометрическими параметрами, и физико-химическими,

и кристаллическими свойствами. Изучить в отдельности для каждого типа частиц

особенности взаимодействия с биологическими системами совершенно невозможно,

так что более глубокое понимание механизмов этих взаимодействий необходимо для

успешного дизайна наноматериалов будущего.

7Биотехнология. Теория и практика. №1 2010

Белковая «корона»

Ещё одной важной особенностью биологического окружения является то, что

наночастицы, попав в кровь, лимфу, желудочный сок или любую другую биологическую

жидкость, покрываются своего рода «короной» – слоем белков, всё время находящихся в

растворе и адсорбирующихся на поверхности частицы. Как следствие взаимного влияния,

и свойства частиц меняются под действием «короны», и сами белки, с которыми частица

вступает в контакт, могут подвергаться модификациям (рис. 3).

Рис. 3. Взаимное влияние белковой «короны» и наночастицы [2].

Отдельно следует заметить, что процесс формирования «короны» зависит от

«предыстории» частицы, поскольку она уже может содержать адсорбированные молекулы

– будь то остатки от производственного процесса, атмосферные газы, промышленные

стабилизаторы эмульсий/дисперсий или вещества из состава буферов, используемых для

приготовления растворов наночастиц. Контакт частиц с белкáми короны является первым

типом интерфейса нано–био на длительном пути наночастицы внутри живого организма.

Белковая «корона» –

первый из интерфей-

сов нано–био, в кото-

ром участвует наночасти-

ца, попавшая в организм.

Хотя «корона» определя-

ет дальнейшую «судьбу»

наночастицы, но и сами

белки модифицируют-

ся при контакте с части-

цей; А. Динамический

состав «короны» зависит

от констант ассоциации/

диссоциации, процессов

конкурентного связыва-

ния, стерических фак-

торов, влияющих на ад-

сорбцию, и состава био-

логической жидкости, в

которой находится нано-

частица; Б. Варианты мо-

дификации структуры и

функций белков, вызы-

ваемые взаимодействи-

ем с наночастицами. В

некоторых случаях такие

взаимодействия изменя-

ют конформацию белкá,

– например, лизоцим из

куриного яйца «теряет»

α-спираль, необходимую

для его каталитической

активности. Разноцвет-

ные фигурки обознача-

ют разные типы белков:

заряженные, гидрофоб-

ные, конформационно ла-

бильные, каталитически

активные с окисляемы-

ми тиольными группами

и образующие фибриллы.

8 Биотехнология. Теория и практика. №1 2010

Основные белки, образующие «корону» наночастиц – например, нанотрубок, частиц

диоксида железа, липосом и наногранул полимеров – это альбумин, иммуноглобулины,

факторы комплемента, фибриноген и аполипопротеины. Укрывание наночастиц этими

белкáми во многом определяет их дальнейшую судьбу – распределение между тканями

и органами, скорость выведения из организма, опсонизацию (фагоцитоз с участием

рецепторов мембраны).

Белки и другие органические вещества увеличивают растворимость наночастиц

(например, ZnO, CdSe, оксидов железа и алюминия), но и наночастицы могут влиять

на белковые молекулы, заставляя их агрегировать, окисляя боковые группы, снижая

ферментативную активность или изменяя их конформацию. Это обстоятельство уже

вызывает определённые опасения – ведь то, что в лабораторном эксперименте наночастицы

оксида церия вызывают образование фибрилл микроглобулина β

, может означать, что

в определённых условиях возможен аналогичный процесс и в организме человека, –

например, в мозгу это приведёт к развитию болезни Альцгеймера.

Захват наночастиц биомембранами

Контакт наночастиц с биологическими мембранами нередко заканчивается

захватыванием первых внутрь клетки с помощью ряда механизмов – рецептор-

опосредованных или не связанных с рецепторами [4]. Захват требует образования

как специфических, так и неспецифических взаимодействий с мембраной, и является

результатом динамического противостояния механизмов захвата частицы и процессов,

препятствующим этому. Модификация поверхности частицы особыми лигандами,

стимулирующими рецептор-опосредованный эндоцитоз [5], – пример такого механизма

(рис. 4).

Проникновение внутрь клетки возможно и без участия рецептора: например,

наночастицы, модифицированные определёнными амфифильными группами, могут

сами проникать через мембрану, нисколько её при этом не повреждая. Схожий механизм

используют и амфифильные пептиды-переносчики или поликатионные полимеры, которые

могут использоваться для направленной доставки частиц в клетку.

Существует минимальный радиус частицы, при котором она может быть захвачена

внутрь клетки, и «оптимальный» радиус, при котором захват происходит с максимальной

эффективностью. Для сферических и цилиндрических частиц такие оптимальные размеры

равны 15 и 30 нм, соответственно, но для наночастиц, «укрытых» слоем трансферрина,

этот радиус составляет ~50 нм [5].

С точки зрения чистой термодинамики среди частиц одного объёма легче всего

должны захватываться сферы, но на практике во многих случаях оказывается, что

другие формы – как, например, цилиндрические частицы гидрогеля полиэтиленгликоля

– захватываются с большей скоростью. Однако макрофаги, старающиеся «проглотить»

все чужеродные частицы при помощи фагоцитоза, наоборот, часто упускают длинные

цилиндрические образования из виду: наверное, поскольку такая форма не встречалась до

эры искусственных наночастиц, «тканевые стражи» оказываются сбитыми с толку.

Учитывая, с одной стороны, бóльшую эффективность захвата внутрь клетки, а с другой

– меньшую вероятность фагоцитоза, оказывается, что для направленной доставки в клетку

лучше всего подходят не сферические, а именно цилиндрические (или дискообразные)

частицы, которые лучше ещё тем, что проще проходят через просвет капилляров.

9Биотехнология. Теория и практика. №1 2010

Рис. 4. Захват наночастицы мембраной клетки [2].

Для осуществления захвата должны образоваться специфические (лиганд–рецептор) и неспецифи-

ческие (гидрофобные, кулоновы) взаимодействия. Высвобождающаяся при этом свободная энергия

служит для «противоборства» силам, препятствующим захвату частицы:

Обеспечивают «захват»: Специфическое связывание рецептор–лиганд.

– Неспецифические взаимо-

действия с мембраной. – Высвобождение свободной энергии в месте контакта. – Оптимальные размер и

форма частицы. – Энергозависимые механизмы мембраны и цитоскелета;

Препятствуют «захвату»: Эластичность мембраны. – Температурные флуктуации мембраны. – Ско-

рость диффузии рецепторов. – Прочность и эластичность взаимосвязи рецептор–лиганд.

Углеродные нанотрубки также обладают цилиндрической формой. Если говорить о

достаточно длинных (>20 μм) и жёстких (многослойных) нанотрубках, то их присутствие

в ткани как раз вызывает «сбои» в поведении макрофагов. Эти клетки оказываются

неспособными «проглотить» такую большую частицу и лишь выбрасывают в среду

токсичные формы кислорода (АФК) и гидролитические ферменты, вызывая хроническое

воспаление. И хотя для нанотрубок пока не существует однозначных доказательств,

в принципе они могут вызывать развитие мезотелиомы, поскольку асбестовая пыль

приводит к этому типу опухоли по весьма схожему механизму. В таблице 2 приведены

данные по возможным механизмам токсичности разных типов наночастиц, а также область

их использования – если удастся токсичность преодолеть.

Таблица 2

Механизмы цитотоксичности различных наноматериалов и приёмы, потенциально

позволяющие достичь безопасного применения

Нано-

материал

Применение Механизм цитотоксичности

Приёмы, потенциально

позволяющие избежать

токсичности

TiO

УФ-фильтр в защитных

кремах от солнца

Продукция АФК. Истощение

пула глутатиона и

окислительный стресс из-за

фотоактивности. Образование

фибрилл белков. Разрушение

мембраны

Кэпирование сурфактантами,

полимерами или лигандами.

Покрытие низкомолекулярными

антиоксидантами (аскорбатом,

глутатионом, тиолами) или

фер ментамиантиоксидантами

(например, супероксиддис-

мутазой)

ZnO УФ-фильтр в защитных

кремах от солнца

Продукция АФК.

Растворение и выделение

токсичных катионов.

Повреждение лизосом.

Воспалительные реакции

Покрытие наночастиц инертными

материалами

10 Биотехнология. Теория и практика. №1 2010

Нано-

материал

Применение Механизм цитотоксичности

Приёмы, потенциально

позволяющие избежать

токсичности

Ag Диагностика рака,

ДНК-диагностика.

Антибактериальная

обработка ран. Лечение

атопического дерматита

Растворение и выделение

ингибирует ферменты

клеточного дыхания и синтез

АТФ. Продукция АФК.

Разрушение мембраны и

нарушение транспорта

Наночас-

тицы Au

Диагностика рака,

ДНК-диагностика.

Инертная основа для

других наночастиц.

Фототермическая

терапия

Нарушение конформации

белков

Подбор размера, заряда и

гидрофобных свойств

CdSe «Квантовые точки»:

флуоресценция с пара-

метрами, контролируе-

мыми размером частиц.

«Нано-штрихкоды»

Растворение и выделение

токсичных ионов Cd и Se

Покрытие токсичного ядра

биосовместимыми полимерами

или неорганической оболочкой

SiO

ДНК- и РНК-

анализаторы (нуклеи-

новые кислоты

«пришивают» к

поверхности частиц)

Продукция АФК из-за

дефектов поверхности.

Нарушение сворачивания

белков. Разрушение мембраны

Стимулирование агрегации

частиц. Подбор размера и/или

заряда. Модификация поверх-

ности лактатом алюминия или

поливинилпиридин-N-оксидом

Визуализация

опухолевых процессов

Продукция АФК и окисли-

тель ный стресс. Выделение

токсичных ионов Fe

. Наруше-

ние трансмембранного

транспорта

Модификация поверхности

биосовместимыми материалами.

Покрытие полимерами

(альгинатом, хитозаном)

CeO

Защита от окислитель-

ного стресса и радиа-

ционного повреждения

Агрегация белков, образование

фибрилл

Модификация частиц с целью

получения антиоксидантного

эффекта

Много-

слойные

углеродные

нанотрубки

Наносенсоры

с ферментами,

«спрятанными» внутрь

трубки

«Тупиковые» попытки

фагоцитоза (см. в тексте)

вызывают хроническое

воспаление и окислительное

повреждение ДНК

Изменение структуры для

уменьшения жёсткости.

Использование нанотрубок

длиной <5 μм. Использование

альтернативных структур

(таких как многослойные нано-

«луковицы»)

Углеродные

нанотрубки

(одно- и

много

слойные)

Наносенсоры. Доставка

лекарств внутри

трубки.

Гипертермия опухолей.

Антибактериальные

агенты. «Молекулярная

вакцинация»

Продукция АФК из-за ионов

металла внутри трубок.

Провоспалительное действие

Модификация поверхности

антиоксидантами или комплек-

сонами. Покрытие полимерной

оболочкой, чтобы предот вра-

тить выделение ионов металлов.

Очистка от примесей металлов.

При соединение лигандов

для ускорения рецеп тор-

опосредованного эндоцитоза

Воспалительный

гранулематоз из-за

агрегации гидро-

фобных частиц.

Интерстициальный

лёгочный фиброз из-за

продукции коллагена

фибробластами

Усиление дисперсии

частиц (например,

электростатическим

расталкиванием при

соответствующей

модификации поверхности)