Лаборатория нанопатологии и биомедицинских нанотехнологий

Заведующий лабораторией — д.х.н. Егорова Елена Михайловна
тел. (495) 601-23-68
emenano@mail.ru

 

Из истории лаборатории. Лаборатория была создана в конце 2007 г по инициативе академика А.А.Кубатиева. Ее первоначальное название – лаборатория нанопатологии. Под нанопатологией здесь понимался патологический процесс, обусловленный проникновением в организм человека металлических наночастиц. Соответственно, целью создания  лаборатории изначально являлось выяснение механизмов возникновения заболеваний, вызванных наночастицами металлов и выработка рекомендаций по способам борьбы с такими заболеваниями. Для этого проводились исследования действия наночастиц металлов на биологические объекты разного уровня организации; использовались наночастицы металлов в растворах, которые получали оригинальным методом биохимического синтеза с применением природных восстановителей и синтетического стабилизатора (АОТ). При этом выявилась необходимость (1) параллельных исследований в области синтеза наночастиц в обратных мицеллах, позволяющих варьировать их концентрацию, размеры и другие параметры, (2) совершенствования процедур получения водных растворов наночастиц для минимизации концентрации стабилизатора и (3) разработки методик получения модифицированных наночастицами твердых и жидкофазных материалов с целью создания новых материалов с антимикробными свойствами для применения в медицине.

За последние годы сформировалось приоритетное направление работы лаборатории – синтез наночастиц металлов в водных растворах с применением синтетических и природных стабилизаторов и исследование их действия на биологические объекты (главным образом, на клетки in vitro) с целью создания новых лекарственных средств на основе растворов наночастиц металлов а также определения условий их безопасного применения в биологии и медицине. Таким образом, расширился круг задач лаборатории — помимо выяснения механизмов возникновения нанопатологий, стали проводиться исследования токсических эффектов наночастиц  и разработки биомедицинских приложений таких исследований. Соответственно изменилось название лаборатории – с 2014 г. она стала лабораторией нанопатологии, нанотоксикологии и биомедицинских нанотехнологий.

Руководителем  лаборатории и автором метода биохимического синтеза (отдельный раздел)  наночастиц металлов является  доктор химических наук  Елена Михайловна Егорова. Е.М. Егорова  имеет многолетний  опыт научной и практической работы в области нанотехнологий и около  100 научных публикаций.  Область ее научных интересов – способы получения, оптические, адсорбционные и электрические свойства наночастиц металлов в растворах, биологическая активность наночастиц металлов и модифицированных ими материалов.  В лаборатории работают молодые специалисты с высшим химическим или биологическим образованием и с опытом работы не менее 2-х лет. Важным аспектом работы лаборатории является подготовка дипломных работ и кандидатских диссертаций по основным направлениям исследований.

Основные направления деятельности лаборатории и достижения.

За первые 6 лет (к 2014 году) сформировалось приоритетное направление работы лаборатории – синтез наночастиц металлов в водных растворах с применением синтетических и природных стабилизаторов и исследование их действия на биологические объекты (главным образом, на клетки in vitro) с целью создания новых лекарственных средств на основе растворов наночастиц металлов, а также определения условий их безопасного применения в биологии и медицине. Описание метода биохимического синтеза (оригинальной версии и последующих модификаций) и основные результаты, полученные к этому времени в исследованиях биологической активности наночастиц металлов, были опубликованы в ряде статей и обзоров, а также вошли в монографию «Биологические эффекты наночастиц металлов» и ее англоязычную версию «Biological effects of metal nanoparticles”.

С 2014 года по настоящее время в лаборатории проводятся исследования токсичности наночастиц серебра как на культурах нормальных и злокачественных клеток человека, так и на животных с целью разработки биомедицинских приложений таких исследований:

(1) синтез наночастиц металлов в водных растворах с использованием в качестве стабилизаторов синтетических (анионного, АОТ, и катионного, СТАБ) ПАВ и природных стабилизаторов циклического олигосахарида (крахмала, β-циклодекстрина); подбор условий, обеспечивающих получение наночастиц с заданными параметрами для экспериментов на биообъектах; (2) исследования токсичности растворов наночастиц серебра на клетках человека и бактериях in vitro, включая выяснение механизма токсического действия стабилизатора наночастиц по разработанной нами оригинальной методике, позволяющей разделить вклады в цитотоксичность разных форм (молекул и мицелл) стабилизатора, (3) исследование действия водных растворов наночастиц серебра, стабилизированных β-ЦД, на поведение животных с целью моделирования влияния продажных препаратов коллоидного серебра на процессы высшей нервной деятельности у человека и (4) анализ проблем методологии исследований действия водных растворов наночастиц металлов на биологические объекты, определение наиболее значимых источников ошибок и разработка рекомендаций по их устранению.

Сделан вывод о существенном вкладе мицелл ПАВ в токсичность водных растворов как наночастиц серебра, так и ПАВ по отношению к животным клеткам разного типа. Результаты могут быть использованы для определения безопасных концентраций стабилизатора в растворах наночастиц серебра, используемых в качестве лекарственных средств а также поверхностно-активных веществ в водных растворах при использовании их в  качестве антимикробных средств для наружного применения.

Работы ведутся в сотрудничестве с другими лабораториями Института, а также с другими государственными учреждениями биологического и медицинского профиля — Институтом эпидемиологии и микробиологии им. Гамалеи, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» (кафедра микробиологии, вирусологии и иммунологии) и др.

Помимо биологического действия наночастиц исследуется также их взаимодействие с порошками полимеров, что может позволить предложить новые нанокомпозитные материалы с бактерицидными или иными специальными свойствами для применения в медицине (в частности, в стоматологии); ранее уже были получены полимерные пленки с наночастицами серебра, обладающие высокой биоцидной активностью (в сотрудничестве с ИНХС РАН и Текстильным университетом им.А.Н.Косыгина).

Лаборатория  укомплектована современными приборами и оборудованием. Основными методами являются спектрофотометрия, представленная спектрофотометром Shimadzu UV-2600 (производство Shimadzu, Япония) и фотонная корреляционная спектроскопия, представленная лазерным спектрометром  ZetaPALS (Brookhaven Instruments, USA). Для получения микрофотографий наночастиц  используется также  просвечивающий электронный микроскоп ( LEO912 AB OMEGA), доступный в Центре коллективного пользования МГУ. Для различных вспомогательных  исследований используются методы потенциометрии, кондуктометрии, вискозиметрии, обработка растворов наночастиц ультразвуком и др.

 

 

Метод биохимического синтеза

Метод биохимического синтеза относится к группе химических методов получения наночастиц, в основе которых лежит восстановление ионов металла до атомов в условиях, благоприятствующих формированию наночастиц. В данном случае синтез проводится  в обратных мицеллах путем восстановления ионов металлов растительными пигментами из группы флавоноидов. А именно, в качестве восстановителей используются кверцетин и рутин, которые хорошо известны в медицине как антиоксиданты и радиопротекторы, а также применяются в качестве пищевых добавок.

Известно,  что биологическое действие флавоноидов в значительной степени связано с их способностью образовывать прочные комплексы с ионами металлов. Сочетание  этого свойства флавоноидов с особенностями внутренней среды обратных мицелл (существенно отличающейся по свойствам от молекулярного раствора) позволяет осуществить синтез наночастиц различных металлов – серебра, меди, цинка и др.

Такой способ обладает рядом преимуществ, важных для практического применения наночастиц. Во-первых, формирование наночастиц идет на воздухе (в отличие от  многих случаев, когда для этого требуется вакуум или атмосфера инертного газа). При этом получаются наночастицы, стабильные на воздухе в течение очень длительного времени (до года и более), тогда как часто время жизни наночастиц, полученных другими способами, не превышает нескольких дней.  Во-вторых,  процедура  сравнительно проста и технологична — не требует применения дорогостоящего оборудования и реактивов, проведения дополнительных синтезов и т.д. В-третьих, можно получать сравнительно высокую степень превращения  ионов в наночастицы.   Метод биохимического синтеза и некоторые варианты его применения защищены 4-мя патентами РФ.

На сегодняшний день мы можем получать наночастицы четырех металлов – золота, серебра, меди, цинка,  стабильные в обратных мицеллах из АОТ (в мицеллярном растворе в органическом растворителе). Разработаны также процедуры переноса наночастиц из мицеллярного раствора в водную фазу и контроля концентрации АОТ в водных растворах наночастиц. В таких растворах  наночастица окружена не монослоем, а бислоем из молекул ПАВ; во внешнем монослое полярные головки ПАВ обращены наружу. Кроме того, для двух металлов – серебра и меди – разработаны методики синтеза наночастиц непосредственно в водной среде с использованием природных стабилизаторов – крахмала и β-циклодекстрина.

Примеры фотографий растворов и электронных микрофотографий наночастиц.

Лаборатория открыта к сотрудничеству в исследованиях биологической активности, металлических наночастиц, а также в разработках модифицированных наночастицами материалов для применения в медицине и бионанотехнологии.

Основные публикации 2019 — 2020 гг.:

  1. Е.М. Егорова, А.А. Кубатиев. Нанотехнологии: действие наночастиц металлов на биологические объекты. Методологические аспекты. — Москва: Юрайт, 2020. 188 с.
  2. С.И. Каба, Е.М. Егорова. Вклад стабилизатора в цитотоксичность наночастиц серебра в эксперименте на эндотелиальных и фибробластоподобных клетках// Российские нанотехнологии. — 2020 — Т. 15, №4. — С. 540-549. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44573852
  3. Egorova E.M., Kaba S.I. The effect of surfactant micellization on the cytotoxicity of silver nanoparticles stabilized with aerosol-OT. // Toxicology in Vitro. — 2019 — Volume 57 — P. 244-254. Published: June 2019. https://doi.org/10.1016/j.tiv.2019.03.006
  4. Каба С.И., Егорова Е.М. Токсичность молекул и мицелл стабилизатора наночастиц серебра в исследовании их действия на клетки эндотелия. // Патогенез. — 2019 — Т. 17, № 4 — C. 63-68. https://doi.org/10.25557/2310-0435.2019.04.63-68 
  5. Egorova E.M., Kaba S.I. The correction of in vitro toxicity of a silver nanoparticle stabilizer in studies on endothelial cells // III International school-conference «Applied Nanotechnology and Nanotoxicology». — Sochi, October 10-13, 2019. P. 80-81. http://pathogenesis.pro/index.php/pathogenesis/article/view/321