Оценка токсичности наночастиц

Вредны или полезны наночастицы? Однозначного ответа на этот вопрос, конечно, нет. Из-за малого в рамках макромира размера они обладают уникальными свойствами взаимодействия с клетками и клеточными мембранами, а их большой в рамках микромира размер позволяет сочетать в одной частице вещества, обладающие различными полезными свойствами, и создавать эффективные комбинированные препараты. Однако побочные эффекты применения наноматериалов могут быть весьма опасными, и недооценивать их нельзя. Пресловутые «фильтры Петрика» могут быть не только бесполезными, но и опасными, как предостерегал глава комиссии РАН по лженауке Эдуард Кругляков, именно из-за наночастиц.

Так или иначе, современная наука на данном этапе знает о процессах, протекающих в живых организмах при участии наночастиц, очень мало. И комплексный подход к этой проблеме подразумевает выработку общих принципов и универсальных характеристик, показывающих механизм взаимодействия наночастиц с биомолекулами. Исследователи из Университета Северной Каролины

разработали метод предсказания путей воздействия наночастиц на биологические системы, в том числе на организм человека.

Их работу публикует Nature Nanotechnology.

Авторы статьи полагают, что их исследование пригодится не только для обеспечения безопасности человека и окружающей среды и разработки новых стандартов сертификации препаратов, содержащих наночастицы, но и для развития технологий направленной доставки лекарств в организме.

Основная цель работы –

создать метод, детально характеризующий биологическое действие наночастиц и обладающий предсказательной силой.

Он позволит ученым понять, как различные наночастицы могут вести себя внутри человеческого тела.

«Мы пытались создать хороший биологически обоснованный механизм для оценки взаимодействия наночастиц с клетками. Ведь когда наноматериал попадает в организм, он мгновенно связывается с огромным количеством белков, аминокислот, из которых они состоят. Если мы определим, с какой именно молекулой связалась наночастица, мы сможем понять дальнейшие ее пути в организме», – отметил профессор Джим Ривьер, руководивший работой.

Процесс связывания также влияет на поведение частицы внутри тела. Аминокислоты и белки, покрывающие поверхность наночастиц, образуют «корону» вокруг частицы и меняют ее форму и поверхностные свойства, а именно они ответственны за эффективность действия наночастиц. Модификация поверхности потенциально может уменьшать или, наоборот, увеличивать токсичность частиц и их способность эффективно нести лекарство в нужные клетки.

Чтобы создать инструмент для скрининга наночастиц, исследователи изучили действие широкого спектра химических веществ на поверхности наночастиц разного типа. Выяснилось, что размер наночастицы и характеристики ее поверхности определяют тот тип веществ, взаимодействие с которым будет протекать наиболее полно.

Определив размер частицы и параметры ее поверхности, ученые получают «отпечатки пальцев», по которым можно проследить путь будущего взаимодействия частицы с тканями организма.

Эти признаки позволяют судить о том, как наночастицы поведут себя в соседстве с биологическими молекулами при взаимодействии функциональных групп на поверхности частицы и аминокислотных остатков. Разработанный учеными биологический индекс адсорбции поверхности является эффективной характеристикой наночастицы. В целом адсорбционные свойства наноматериала определяются кулоновскими (электростатическими) силами, дисперсионными взаимодействиями, водородными связями и взаимодействиями с неподеленными электронными парами, все эти типы взаимодействий были учтены при описании реакции между системами. Исследователи определили коэффициенты адсорбции тестовых веществ и создали базу данных так называемых нанодескрипторов – величин, описывающих вклад и относительную энергию каждого отдельного взаимодействия. Метод позволил точно предсказать пути адсорбции ряда малых молекул на углеродных нанотрубках. Соответствующие нанодескрипторы были измерены еще для 12 наноматериалов.

«Наша информация позволяет предсказать динамику жизни наноматериала в организме. Мы можем судить о том, в какой ткани организма наночастица закончит свой путь, а также склонна она или нет связываться с тем или иным типом клеток. Так, использование наночастиц в направленной доставке лекарств к клеткам больше не должно идти «вслепую», изначальные свойства частицы многое определяют. По-новому можно оценить и степень токсичности наночастиц для человека и природы», – подытожил Ривьер.