Магніточутливі поліфункціональні нанокомпозити на основі магнетиту і гідроксиапатиту для застосування в онкології

Систематизовано та узагальнено результати досліджень, спрямованих на розвиток концепції створення магніточутливих нанокомпозитів (НК) з багаторівневою ієрархічною наноархітектурою типу ядро-оболонка та функціями медико-біологічних нанороботів на основі однодоменного магнетиту (Fe₃O₄), поверхня якого модифікована гідроксиапатитом (ГА). Наноструктури вказаного типу характеризуються біосумісністю з організмом людини, відсутністю мутагенності та задовільними, з точки зору реалізації методу адресної доставки лікарських засобів та локальної терапії, магнітними характеристиками.

Синтез Fe₃O₄ здійснено за методикою співосадження солей двох і трьохвалентного заліза. Синтезовані ансамблі наночастинок (НЧ) Fe₃O₄ характеризувались розмірами 3–23 нм. Середній розмір НЧ Fe₃O₄ залежав від умов синтезу і становив 8–15 нм, розподілом за розмірами можна було керувати технологічно. Питома поверхня магнетиту становила Sₙ = 90–180 м²/г, в роботі використовували зразки, для яких Sₙ ~ 110 м²/г. Вивченням ІЧ-спектрів поверхні Fe₃O₄ виявлено функціональні групи ОН, концентрація яких, розрахована за даними термогравіметричного аналізу, дорівнювала 2,4 ммоль/г.

Синтез покриття ГА на поверхні Fe₃O₄ здійснювали золь-гель методом. Середній розмір кристалітів Fe₃O₄ і ГА в структурі НК Fe₃O₄/ГА складав 15 і 19–21 нм, відповідно. Дослідженнями ІЧ-спектрів зразків Fe₃O₄/ГА виявлено ОН-групи на поверхні нанокомпозиту, концентрація яких становила 2,2 ммоль/г. Питома поверхня НК Fe₃O₄/ГА становила Sₙ = 105 м²/г. Відношення Са/Р становило 1,6–1,7. Товщина шару ГА на поверхні Fe₃O₄, оцінена за співвідношенням площі Fe2p-/Fe3p- ліній та приростом маси НК, становить ~4 нм.

Вивчено процеси адсорбційної іммобілізації хіміотерапевтичних препаратів (цисплатину (ЦП), доксорубіцину (ДР)) та нормального імуноглобуліну людини (як моделі антитіла імунотерапевтичного препарату) на поверхні НК.

Виявлено значну адсорбційну активність по відношенню до комплексів ЦП нанорозмірного Fe₃O₄. Так, при 298 К для Fe₃O₄ адсорбційна ємність Aₘₐₓ = 80,1 мг/г, коефіцієнт вилучення R = 66,2 %.

Модифікування Fe₃O₄ ГА зменшує адсорбційну активність поверхні НК по відношенню до ЦП: Aₘₐₓ = 54 мг/г, R = 64,8 %. Можливо, це відбувається внаслідок зменшення концентрації гідроксильних груп на поверхні НК Fe₃O₄/ГА в порівнянні з поверхнею вихідного Fe₃O₄. Час встановлення адсорбційної рівноваги для поверхні НК Fe₃O₄/ГА знаходиться в межах 10 хв.

Адсорбцію імуноглобуліну (Ig) проводили в середовищі фізіологічного розчину (ФР) протягом 2 год в динамічному режимі за кімнатної температури. Кількість адсорбованої речовини на поверхні НК визначали вимірюванням концентрації Ig в контактних розчинах до і після адсорбції.

Вивільнення Ig в ФР досліджували на зразках Fe₃O₄/ГА і Fe₃O₄/ГА/Ag, що містять Ig, іммобілізований з різних буферних систем (фосфатний буфер, фізіологічний розчин).

Коефіцієнт розподілу (Е) імуноглобуліну між поверхнею НК і розчином складає 111,36 мл/г для Fe₃O₄/ГА, а для Fe₃O₄/ГА/Ag — 186,67 мл/г. При адсорбції з ФР для Fe₃O₄/ГА E = 47,2 мл/г, для Fe₃O₄/ГА/Ag E = 59,4 мл/г. Адсорбція Ig на поверхні НК з НЧ срібла перевищує адсорбцію на поверхні Fe₃O₄/ГА в обох буферних системах. Це є свідченням того, що наночастинки срібла на поверхні композиту виступають в ролі додаткових адсорбційних центрів.

Встановлено, що вивільнення Ig, іммобілізованого з ФР, при великих концентраціях (A = 17–38 мг/г) практично не відбувається.

Результати експериментальних досліджень впливу НК на клітинні лінії MCF-7 карциноми молочної залози людини in vitro свідчать, що застосування поліфункціональних магніточутливих НК принципово дозволяє реалізувати розпізнавання специфічних клітин, досягти цитотоксичного ефекту препарату при нижчих концентраціях лікарських препаратів та створити умови для зменшення токсико-алергічного впливу лікарських хіміотерапевтичних засобів на організм в цілому.

Дослідженнями адсорбції ДР на поверхні НК Fe₃O₄/ГА від часу встановлено, що протягом перших двох годин адсорбується 60–70 % речовини, а протягом доби адсорбція проходить майже повністю (93–97 %). Результати дослідження залежності десорбції від часу вказують, що вивільнення ДР зменшується з ростом його кількості на поверхні НК.

Наведено дані щодо синтезу нових поліфункціональних магніточутливих наноструктур, перспективних для цільової доставки в пухлини гепатоцелюлярної карциноми та внутрішньопечінкової холангіокарциноми лікарського препарату хіміотерапевтичного механізму дії гемцитабін (ГЦ) та депонування за допомогою магнітного поля з додатковими функціями гіпертермічної терапії та магнітно-резонансної томографічної діагностики в режимі реального часу. Показано, що модифікована ГА поверхня магніточутливих носіїв Fe₃O₄ здатна до адсорбційної іммобілізації онкологічних лікарських засобів різних механізмів дії та до їх вивільнення в середовищі фізіологічної рідини без зміни терапевтичної активності.

На прикладі магнітної рідини Fe₃O₄/ГА/ДР/ол.Na/ПЕГ+ФР, що містить дисперсійну фазу фізіологічний розчин (ФР), суперпарамагнітні носії Fe₃O₄ з модифікованою ГА поверхнею та іммобілізованим лікарським препаратом ДР, комплексний стабілізатор на основі олеату натрію та поліетиленгліколю (ол.Na/ПЕГ), розвинено метод магнітної гранулометрії, застосовний до НК типу суперпарамагнітне ядро-оболонка зі складною багаторівневою структурою. Наведені результати експериментальних досліджень і розрахунків, їх перевірка різними способами і порівняння з літературними даними свідчать, що використовуючи ансамблі магнітних носіїв у якості суперпарамагнітного зонда та теорію парамагнетизму Ланжевена можна оцінити розміри компонентів складної оболонкової структури нанокомпозитів.

Отримані дані можуть бути корисними при оптимізації хімічного складу, структури та властивостей нових магнітних рідин та адсорбентів на основі магніточутливих НК зі складною будовою оболонки.

Відпрацьовано наукові підходи щодо впровадження магнітокерованих поліфункціональних НК Fe₃O₄/ГА, модифікованих іонами гадолінію, у нейтронозахопну терапію. Показано їх перспективність для створення нових типів малотоксичних селективних нейтронозахопних лікарських засобів із додатковими функціями магнітокерованої спрямованої доставки до органів або клітин-мішеней і депонування, гіпертермії та комбінованої T₁-, T₂-МРТ-діагностики у режимі реального часу.

Наведено основи синтезу нових векторних систем магнітокерованих лікарських форм хіміотерапевтичної дії онкологічного призначення на основі магнітних рідин, що містять нанорозмірний однодоменний магнетит з модифікованою поверхнею та лікарський цитостатичний препарат. Показано, що за даними магнітних вимірювань можливе визначення з високою достовірністю розмірних параметрів векторних систем, що може бути використано для їх стандартизації та контролю параметрів в процесі виробництва.