Сегодня - 07.08.2020

Лучшие друзья…биофизиков

07 июля 2015

Владимир БондарьНаноалмазы, получаемые методом взрывного синтеза, столь же драгоценны, как и природные. Ученые проводят с крохотными, искусственно созданными частицами множество манипуляций, придумывая им массу разнообразных вариантов использования. Например, не так давно сотрудники Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск) и Института биофизики СО РАН (Красноярск) научились применять их в изготовлении маленьких светильников, но это еще не все — в ИБФ СО РАН свойства уникального материала давно изучают биологи.

В институте направление, связанное с изучением характеристик и различными способами употребления наноалмазов детонационного синтеза развивается уже в течение 20 лет. У ученых есть свои оригинальные, так называемые модифицированные наноалмазы, которым они придали свойства высокой коллоидной устойчивости. Это означает, что если взять наноалмазный порошок и добавить к нему деионизованную воду, то он в ней разойдется, словно кофе. Однако, такой эффект вовсе не говорит о возникновении истинного раствора, просто частицы завешиваются в объеме жидкости и образуют устойчивые суспензии, не осаждаясь в течение многих лет и не утрачивая этих изначальных свойств.

Внешний вид порошков (вверху) и гидрозолей (внизу) модифицированных  наноалмазов со средним размером кластеров наночастиц в гидрозоле d50 = 49.6 нм (слева) и d50 = 270 нм (справа). Материалы получены в ИБФ СО РАН (Красноярск).«Такой гидрозоль можно многократно высушивать и, добавляя воду к сухому осадку, вновь его получать, замораживать и растаивать, кипятить, автоклавировать, стерилизовать иным способом, — комментирует доктор биологических наук Владимир Станиславович Бондарь. — Взяв обычные детонационные наноалмазы, которые продаются на российском рынке или за рубежом, этого вы не увидите: даже если с помощью ультразвука приготовите суспензию и оставите ее на ночь, то на следующий день в ней будет наблюдаться значительный осадок».

По словам ученого, многие годы наноалмазы рассматривались как материал технического назначения — с ними работали специалисты разных направлений физики, химии, материаловедения, техники: «Мы же посмотрели на них, как биологи». Дело в том, что такие наночастицы, в силу специфики технологии их получения, имеют ярко выраженную химически активную поверхность, содержащую массу разных функциональных групп, углеводородных фрагментов, микропримесей металлов. «Учитывая это, мы и взглянули на данный материал с точки зрения биолога — как на прекрасный полифункциональный адсорбент, который способен найти применение в биологических и медицинских приложениях, — говорит Владимир Бондарь. — Научившись работать с ним, мы доказали, что это действительно так: с помощью наноалмазов, например, можно быстро и эффективно выделять интересующие нас белки из сложных смесей — и в случае аналитического, и в случае препаративного вариантов использования. Применение наноалмазов значительно упрощает, убыстряет и удешевляет процессы выделения искомых белков и позволяет получать их в высокоочищенном и гомогенном виде». В любом случае, выходит, что все хроматографическое оборудование можно отставить в сторону. Нужна только центрифуга, набор пипеток и пробирки — снижение стоимости получается весьма существенное. «Мы все это отработали, обнародовали в виде публикаций, прошли независимую экспертную оценку за рубежом», — отмечает специалист. Таким образом, благодаря прекрасным адсорбционным свойствам, наноалмазы могут сыграть свою роль в создании новых эффективных технологий в биологии, биотехнологии, медицине и фарминдустрии для выделения и очистки практически значимых белков, например, ферментов, иммуноглобулинов, гормонов.

Еще одно перспективное применение наноалмазов связано с изготовлением новых средств индикации и диагностики для биологических и медицинских целей. «У нас уже есть три системы биохимической диагностики: для определения Создание систем биохимической диагностики посредством ковалентной пришивки ферментов на поверхность модифицированных наноалмазов. Принцип работы показан на примере системы определения холестерина: трансформация анализируемого вещества в ходе последовательных биохимических реакций с образованием окрашенного продукта на финальной стадии. Е1 – холестерин эстераза, Е2 – холестерин оксидаза, Е3 – пероксидаза. Р1, Р2 и Р3 – продукты последовательных ферментативных реакций. Система сконструирована в ИБФ СО РАН (Красноярск).мочевины, глюкозы и холестерина. Мы берем ферменты, которые применяются в обычном клиническом анализе, ковалентно пришиваем их на поверхность частиц и получаем многоразовую диагностическую систему с комплексом наноалмазы-ферменты. Если его зафиксировать на твердой подложке, это позволит еще больше упростить практическое использование такой конструкции, или сделать ее универсальной», — объясняет Владимир Бондарь. Кроме того, сами наночастицы в силу химически активной поверхности обладают каталитической функцией в реакциях взаимодействия органических соединений и поэтому способны найти применение в создании новых средств индикации. Например, ученые показали: с помощью наноалмазов можно быстро выявлять фенол в водных средах — здесь явно видно перспективную пользу в области мониторинга загрязнения экосистем этим соединением.

На основе наноалмазов конструируются и системы адресной доставки биологически активных веществ, например лекарственных препаратов — сейчас это довольно модное направление исследований в мире. В ИБФ СО РАН создали такую модельную конструкцию. У биологов получился комплекс-триумвират: носитель (наноалмаз), адресующая молекула (иммуноглобулин) и прототип доставляемого вещества (радиоактивно меченный бычий сывороточный альбумин). Ученые убедились в ходе экспериментов in vitro, то есть, в пробирке, что такая система работает: адресующая частица сохраняет функциональную активность и связывается с молекулой-мишенью. При этом было показано, что комплекс облает высокой седиментационной устойчивостью в сыворотке крови. «Однако в этой области есть проблема, которой почему-то специалисты во всем мире не уделяют должного внимания или замалчивают, — комментирует Владимир Бондарь. — Дело в том, что при создании систем адресной доставки многие исследователи используют физически-детерминированные носители (наночастицы разной физико-химической природы), которые не подвергаются деградации внутри человека. При введении в организм такая система выполнит свою терапевтическую функцию — а что произойдет с нею дальше? Как она станетр выводиться и будет ли это происходить вообще? В связи с этим возникают принципиально важные вопросы. Главные из них — насколько сложно и трудоемко создание таких систем и насколько оправдано их применение в практических целях? Очевидно, что ответы требуют всесторонних и тщательных исследований. Мы совершенно взвешенно подходим к этой проблеме и понимаем необходимость ее изучения».

Гипотетическая схема созданной на основе модифицированных наноалмазов  системы адресной доставки биологически активных веществ: 1 – носитель (частица  наноалмаза), 2 – адресующая молекула (иммуноглобулин), 3 – прототип доставляемого вещества (радиоактивно меченный БСА), 4 – радиоактивная метка (I125). Система сконструирована в ИБФ СО РАН (Красноярск).Если говорить о медицине, то наноалмазы могут помочь в решении весьма значительной проблемы, имеющей большое социальное значение — разработке новых эффективных способов и средств лечения аллергических контактных дерматитов (АКД). В последнее время наблюдается тенденция увеличения количества таких заболеваний — сейчас есть очень много химических соединений, которые входят в состав множества материалов, используемых человеком в быту и производстве, и провоцируют появление этого вида патологии.

«Взаимодействуя с кожей, химический аллерген вызывает возникновение АКД: развитие воспалительной реакции и серьезные изменения в кожном покрове, вплоть до его деструктивных поражений, — говорит Владимир Бондарь. — Достаточно часто этот недуг инициируют ионы цветных металлов — кобальта, никеля, хрома». Ученые вместе с коллегами из Красноярского Государственного Медицинского университета им. профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого решили посмотреть — а нельзя ли наноалмазы (поскольку это адсорбент) попытаться использовать как протектор? В качестве подопытных животных использовали морских свинок. Кожу зверьков из контрольной группы обрабатывали провоцирующими АКД растворами ионов металлов, а у опытных животных делали следующим образом: сначала выбранный участок протирали суспензией наноалмазов, а уже потом — раствором аллергена. «Выявлено совершенно четкое протекторное действие по отношению к ионам никеля и кобальта, — говорит Владимир Бондарь. — Причем, эффективность зависит от концентрационного соотношения наноалмаз-ион металла. В случае использования ионов хрома проявления защитных свойств наноалмазов мы не наблюдали — у опытных и контрольных животных регистрировали развитие АКД. Ответ на вопрос, почему для кобальта и никеля протекторный эффект наблюдается, а для хрома нет, был получен в дополнительных исследованиях. Протекторный эффект модифицированных наноалмазов при воздействии на кожу морских свинок ионов кобальта, вызывающих аллергический контактный дерматит. Типичный вид кожных покровов животных: слева контроль - обработка кожи раствором кобальта (желтым сектором выделен участок некротических изменений кожи); справа опыт - обработка кожи сначала суспензией наноалмазов, а затем раствором кобальта. Результаты совместных исследований ученых из Красноярского Государственного Медицинского университета им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого и ИБФ СО РАН.Эксперименты in vitro с растворами солей изучаемых ионов и наноалмазами показали — из водной среды наночастицы адсорбируют ионы никеля и кобальта и не связывают ионы хрома». Как говорит специалист, пока непонятно, почему — возможно, из-за особенностей пространственной геометрии иона хрома в растворе. Это может быть важным моментом при образовании координационных связей иона металла с функциональными группами на поверхности наноалмазов и, как следствие, определяет его адсорбцию на наночастицы. Для получения ответа необходимы дополнительные исследования.

Тем не менее, показанный протекторный эффект наноалмазов для ионов никеля и кобальта — уже достаточно хорошо. «Когда разрабатывается препарат для защиты от химического аллергена, он должен обладать именно такими функциями — связать и нейтрализовать действие. Мы показали, что в случае ионов никеля и кобальта наноалмазы справляются с этой задачей», — отмечает Владимир Бондарь.

«Наука в Сибири»

Фото: 1 — Екатерина Пустолякова, 2-5 — предоставлены Владимиром Бондарем

Голосов еще нет
Поделись с друзьями: 

Система Orphus