Лаборатория нанопатологии, нанотоксикологии и биомедицинских нанотехнологий


Заведующий лабораторией - д.х.н. Егорова Елена Михайловна
тел. (495) 601-23-68

История подразделения

Лаборатория была создана в конце 2007 г. 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 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. 

 

Состав и тематика работы лаборатории 

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.   

В настоящее время основными задачами лаборатории являются синтез, исследование физико-химических свойств и биологических эффектов водных растворов наночастиц металлов, а также разработка различных вариантов их практического применения в медицине и бионанотехнологии. 

Наночастицы получают в виде мицеллярных растворов и водных дисперсий. Изучается влияние различных факторов на формирование, размеры, оптические и адсорбционные свойства наночастиц. Проводятся также измерения дзета-потенциала наночастиц в растворах. Исследования осуществляются по следующим основным направлениям: (1) определение возможности получения наночастиц металлов в водных растворах с использованием природных стабилизаторов (крахмала, β-циклодекстрина); подбор условий, обеспечивающих получение наночастиц определенного размера с узким распределением, (2) исследования цитотоксичности и иммунной активности наночастиц серебра, стабилизированных крахмалом, на клетках млекопитающих in vitro и (3) исследования цитотоксичности наночастиц серебра, стабилизированных синтетическим анионным ПАВ (на  злокачественных) и природным стабилизатором (β-циклодекстрином) на нормальных клетках человека in vitro. 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).  Работы ведутся в сотрудничестве с другими лабораториями Института, а также с другими государственными учреждениями биологического и медицинского профиля - Институтом эпидемиологии и микробиологии им. Гамалеи, ЦНИИ стоматологии и челюстно-лицевой хирургии и др. 


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.

 

Публикации

1.Широкова Л.Н., Александрова В.А., Егорова Е.М., Вихорева Г.А. Макромолекулярные системы и бактерицидные пленки на основе производного хитина и наночастиц серебра. //Прикладная биохимия и микробиология. 2009. Т.45. №3. С.422-426.

2. Орджоникидзе К.Г., Рамайя Л.К., Егорова Е.М. Рубанович А.В. Генотоксические свойства наночастиц серебра при воздействии на млекопитающих in vivo. //Acta Naturae. 2009. №3. С.109-112. 

3. Егорова Е.М. Биохимический синтез наночастиц золота и цинка в обратных мицеллах. //Журнал физической химии. 2010. Т.84. №4. С.713-720.

4. Egorova E.M. Biological effects of silver nanoparticles. In: “Silver nanoparticles: properties, characterization and applications”. (Ed. by Audrey E. Welles). Nova Science Publishers, New York, 2010, p.221-258. 

5. Егорова Е.М. Биохимический синтез наночастиц золота и цинка в обратных мицеллах. //Журнал физической химии. 2010. Т.84. №4. С.713-720.

6. Egorova E.M., Beylina S.I., Matveeva N.B., Sosenkova L.S. Chemotaxis-based assay for the biological action of silver nanoparticles. In: “Chemotaxis: Types, Clinical Significance and Mathematical Models”. (Ed. by Timothy C.Williams). Nova Science Publishers, New York, 2011. P. 157-187. 

7.  Сосенкова Л.С., Егорова Е.М. Наночастицы серебра малого размера для исследований биологических эффектов. //Журнал физической химии. 2011. Т.85. №2. С.1-10.   

8. Л.С.Сосенкова, Е.М.Егорова, Р.Я.Подчерняева, И.А.Суетина. Наночастицы серебра, стабилизированные крахмалом: синтез и взаимодействие с клетками in vitro». Нанотехнологии и охрана здоровья. 2013 Т.5. №1(14). С. 10-15. 

9. E.M.Egorova. Biochemical synthesis, optical properties and sizes of gold nanoparticles. In: Advances in Nanotechnology, vol.11., p.119-145. Nova Science Publishers, New York, 2014.  

10. Е.М.Егорова, А.А.Кубатиев, В.И.Швец. Биологические эффекты наночастиц металлов. М., Наука, 2014, 350 с. 

11. S.I.Kaba, E.M.Egorova. In vitro studies of the toxic effects of silver nanoparticles on HeLa and U937 cells. Nanotechnology, Science and Applications. 2015, v.8, p.19-29.

 

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

 
  125315, Москва, ул. Балтийская, дом 8    Телефон: +7 [499] 151-17-56    Факс: +7 [495] 601-23-66     E-mail: