Биомедицинские применения магнитных НЧ

Для задач биологии и медицины широкое применение нашли магнитные наночастицы, которые при связывании с биологически активными компонентами или клеточными структурами делают образовавшиеся конъюгаты магнитоуправляемыми. Это позволяет высокоэффективно использовать их для выделения пептидов, белков, поликлональных антител при проведении клеточной сепарации, удаления из кровотока одиночных злокачественных клеток, подготовке клеточного материала перед его трансплантацией онкологическим больным [8].

Все большее распространение получает идея адресной доставки лекарственных средств в зоны патологии, с помощью внешнего магнитного поля. Магнитные наночастицы довольно широко применяют при проведении локальной гипертермии раковых опухолей, когда они могут удерживаться с помощью внешнего магнитного поля в органе-мишени. В настоящее время в магнитно-резонансной томографии – одного из ведущих методов неинвазивной диагностики широкого спектра заболеваний внутренних органов – используются контрастные вещества, содержащие тяжелый парамагнитный металл гадолиний. Гадолиний был выбран для создания магнитно-резонансного контрастного средства (МРКС) вследствие его высоких парамагнитных свойств. Гадолиниевые внеклеточные МРКС выделяются почками, и время их полувыведения составляет примерно 90 мин, если функция почек не нарушена. Однако при заболеваниях почек выделение гадолиневого МРКС может замедляться и приводит к накоплению свободных ионов гадолиния в тканях и развитию серьезной патологии – нерфрогенного системного фиброза.

Применяются также магнитные коллоидные жидкости, содержащие железо, кобальт и никель. Наиболее распространенными являются жидкости на основе частиц магнетита (Fe₃O₄), поскольку кобальт и никель проявляют токсические свойства и подвержены окислению. Наличие у наночастиц оксида железа, внутреннего незаполненного уровня (3d⁶), на котором находятся четыре нескомпенсированных электрона, обладающих спиновым магнитным моментом, приводит к появлению суммарного магнитного момента, равного четырем магнетонам Бора. При этом между электронами незаполненных соседних атомов возникает взаимодействие, называемое обменным. В случае мелких частиц, порядка 30 нм, обменные силы существенно ослабляются за счет теплового движения, и вещество переходит в суперпарамагнитное состояние. Наличие у оксидов железа суперпарамагнитных свойств оказалось весьма полезным для их использования в МРКС при МРТ.

Развитие нанотехнологий в последнее время позволило получить устойчивые наночастицы размерами менее 10 нм. Применение наночастиц такого размера во врачебной практике позволило бы при значительно меньших количествах вводимого вещества повысить контрастность. Применение суперпарамагнитных частиц биосовместимого оксида железа открывает новые перспективы создания эффективных МРКС без использования гадолиния.

Для профилактики и лечения онкологических заболеваний активно развиваются различные варианты локальной магнитной гипертермии, в которой вводимый в пораженный участок магнитный материал нагревается извне с помощью электромагнитного излучения диапазона 100–800 кГц, которое практически не поглощается тканями организма, но интенсивно взаимодействует с наночастицами ферромагнетиков. В качестве медиаторов наиболее приемлемыми являются наночастицы сложного оксида железа – магнетита, с размером частиц от 30 до 50 нм, характеризующихся температурой Кюри около 42–44 °С, что соответствует температуре гибели онкологических клеток. При достижении данной температуры вследствие магнитного фазового перехода процесс поглощения энергии внешнего излучения частицей прекращается и дальнейшего нагревания не происходит.

Движением таких наночастиц можно управлять посредством наложения внешнего магнитного поля и локализовать их в необходимой области или органе.

Проведенные исследования на различных культурах клеток как здоровых, так и патологических показали, что при специальной модификации поверхности наночастицы сложного оксида железа данного размера безопасны для живой ткани и не оказывают существенного влияния на процессы, происходящие в клетке. Исследования проводились с помощью МТТ-теста при различных временах инкубирования. Исследование процесса внешнего нагрева клеточных структур при введении в них наночастиц также не выявило отклонений от нормы. Данный результат позволяет исключить все внешние воздействия, за исключением действия электромагнитного излучения.

Имеются данные о лечении опухолевого образования у лабораторных крыс с глиомой T-9 и применением магнитной жидкости на основе сложного оксида железа. Препарат вводится непосредственно в опухоль под наркозом, затем опухоль подвергается воздействию внешнего магнитного поля, в результате чего наночастицы оксида железа нагреваются до температуры 45 °С. Опухоли исчезали после трехкратной ежедневной гипертермии по 30 мин в течение 30 дней и в течение 3 мес. не рецидивировали.

Таким образом, нанотехнологии с использованием железа иего соединений позволяют получать эффективные препараты для магнитной гипертермической терапии различных опухолей.

Наночастицы магнетита Fe₃O₄ (FeO∙Fe₂O₃) представляют интерес в качестве основы для создания магнитно-резонансного контрастного средства при МРТ-диагностике опухолевых заболеваний.

Новые дендримерные наночастицы, в состав которых входят направляющие молекулы и красители, способны находить в организме злокачественные клетки, специфически связываться с ними и уничтожать их.

Таким образом разработанные методики воздействия нанопорошков металлов на опухолевые клетки требуют совершенствования способов получения нанопорошков металлов и исследования зависимости эффективности воздействия их от размеров, состава и формы на раковые клетки.