Управляемые наноматериалы — важный инструмент биологов-исследователей и врачей. Они могут сочетать ценные свойства — как в новом исследовании коллектива биофизиков из МФТИ и Сколтеха, создавших микросферы с углеродными точками. Российские ученые описали физические и химические свойства наночастиц, а затем доказали их безопасность для нематод C. elegans и возможность визуализировать процессы внутри этих крошечных червей. Результаты опубликованы в журнале «Биохимия».
Ученые создали ряд многофункциональных наноматериалов, которые активно взаимодействуют с инфракрасным излучением и которыми можно управлять с помощью физического воздействия — лазерных лучей, магнитных полей, ультразвука и т. д. Они очень перспективны для использования в качестве средств адресной доставки лекарственных средств, исследований в области клеточной биологии, создания биосенсоров и визуализации биологических процессов.
Поэтому новое исследование ученых МФТИ с коллегами посвящено одному из типов таких систем — многофункциональным фотолюминесцентным магнитным наносферам (multifunctional photoluminescence coding magnetic microspheres, PCMM). Их совместили с углеродными точками (carbon dots, CD) — наночастицами, которые обладают идеальными люминесцентными свойствами, и биосовместимы. К тому же их поверхность легко модифицировать под конкретные задачи.
Способность углеродных точек излучать в ближнем инфракрасном диапазоне особенно ценна для биомедицины, ведь такие лучи хорошо проникают вглубь ткани и не повреждают ее. К тому же благодаря этому их легко отслеживать в режиме реального времени. Размер углеродных точек не превышает 300 нанометров, что делает их пригодными для введения в тело человека и животных. А еще они не наносят вред окружающей среде.
Получение углеродных точек возможно с помощью клик-химии — химических реакций, при которых отдельные блоки соединяются в более крупные. Это напоминает детский конструктор. Другой способ — классический подход, когда два исходных вещества смешивают в определенной пропорции. Затем добавляют растворитель, нагревают смесь и выдерживают определенное время. Позднее раствор охлаждают и очищают от примесей, получая готовые к использованию препараты.
Сборка наночастиц в более крупные системы позволяет создать материалы с новыми уникальными свойствами. И углеродные точки хорошо подходят для использования в составе таких комплексных систем. Это позволяет оптимизировать материал под задачу, придав ему нужные прочность, электропроводность, прозрачность и т. д.
В рамках новой работы биофизики получили ряд модифицированных углеродных точек на основе веществ-предшественников: лимонной кислоты, ее смеси с мочевиной, а также глутатиона, бензойной кислоты и т. д. Полученные наночастицы загружали в пористый карбонат кальция с разными свойствами в качестве носителя.
Получив микросферы, исследователи описали различия в их растворимости и оптических свойствах. Оказалось, наночастицы светятся голубым и зеленым, хотя некоторые препараты испускали даже инфракрасное излучение.
Далее оценивали возможность применить углеродные точки для визуализации процессов в живом организме. Для этого использовали почвенных нематод C. elegans, это одна из важнейших моделей для биологических исследований.
Эти микроскопические черви идеально подходят для исследований биологических эффектов благодаря своей прозрачности (различимы внутренние органы), легкости разведения в лаборатории и при этом близости по биохимическим процессам к более сложным животным. Из которых биологов, разумеется, прежде всего интересует человек.
Для оценки токсичности углеродных точек их добавили в среду, где обитали черви. О биологических эффектах судили по продолжительности жизни животных. Ученые отметили отсутствие негативных изменений, в том числе в строении тела червей и их поведении. Более того, некоторые углеродные точки даже продлили среднее время жизни нематод: те, что на основе лимонной кислоты и мочевины,— на 45%, на основе глутатиона — в два раза.
При этом для визуализации процессов в живом организме необходимо учитывать, что некоторые его молекулы могут и сами флуоресцировать. Эту так называемую аутофлуоресценцию можно спутать с сигналом самих углеродных точек. К счастью, флуоресценцию таких наночастиц можно «настраивать» в широком диапазоне.
Проведенная биофизиками флуоресцентная микроскопия выявила локализацию углеродных точек внутри тела червей. Они были обнаружены главным образом в кишечнике, в особенности в задней части.
Локализация наночастиц в C. elegans. Источник: «Биохимия»
Ученые подчеркнули, что новизна и перспективность исследования определяются люминесценцией углеродных точек в ближней инфракрасной области. Это улучшает эффект биологической визуализации и снижает вызванные светом повреждения. Особенно перспективно сочетать углеродные точки с технологией LuMag, использующей одновременно люминесцентные и магнитные свойства наночастиц. Подобные конструкции подойдут как для визуализации процессов в организме, так и для адресной доставки лекарственных средств и имеют большие перспективы для использования в медицине.
«Выполненная нами функционализация углеродных точек позволяет управлять их селективностью, попаданием в клетки и ткани определенного сорта. А использованная нами основа — наносферы — позволяет защитить люминесцентные свойства углеродных наноточек от влияния биологического окружения. Подобные мультифункциональные наноматериалы могут использоваться для разработки методов диагностики и терапии, поскольку они дешевле, эффективнее и (что самое главное) менее токсичны по сравнению с аналогами. Такими как квантовые точки, которые содержат тяжелые металлы»,— поделилась Елена Марусич, старший научный сотрудник лаборатории персонализированной химиолучевой терапии МФТИ.
Научная публикация: Marusich, E., Nikiforova, M., Stepanidenko, E. et al. PCMM Nanomaterials as Multifunctional Bioprobes Studied in Animal Model of C. elegans. Biochem. Moscow Suppl. Ser. A 19, 465–473 (2025). DOI: https://doi.org/10.1134/S199074782570045X
