1407

Белковая «корона» – первый из интерфейсов нано-био, в котором участвует наночастица, попавшая в организм. Хотя «корона» определяет дальнейшую судьбу наночастицы, но и сами белки модифицируются при контакте с частицей (рис. 11.5): А. Динамический состав «короны» зависит от констант ассоциации / диссоциации, процессов конкурентного связывания, стерических факторов, влияющих на адсорбцию, и состава биологической жидкости, в которой находится наночастица. Б. Варианты модификации структуры и функций белков, вызываемые взаимодействием с наночастицами. В некоторых случаях такие взаимодействия изменяют конформацию белка, например лизоцим из куриного яйца теряет α-спираль, необходимую для его каталитической активности. Разноцветные фигурки обозначают разные типы белков: заряженные, гидрофобные, конформационно лабильные, каталитически активные с окисляемыми тиольными группами и образующие фибриллы.

Исследование путей воздействия наночастиц на организм человека пригодится не только для обеспечения безопасности человека, но и для разработки новых стандартов.

Когда наноматериал попадает в организм, он мгновенно захватывается биомембранами. Если мы сможем выяснить, с какой именно молекулой связалась наночастица, мы сможем понять дальнейшие ее пути в организме.

Контакт наночастиц с биологическими мембранами нередко заканчивается захватыванием первых внутрь клетки с помощью ряда механизмов – рецептор-опосредованных или не связанных с рецепторами. (Этот феномен перспективен для направленного транспорта лекарств.) Захват («обволакивание» мембраной) требует образования как специфических, так и неспецифических взаимодействий с мембраной и является результатом динамического противостояния механизмов захвата частицы и процессов, препятствующих этому. Модификация поверхности частицы особыми лигандами (молекулы белка на поверхности клеток), стимулирующими рецептор-опосредованный эндоцитоз (захват клеткой внешнего материала). Пример такого механизма представлен на рис. 11.6.

261

Рис. 11.5. Взаимное влияние белковой «короны» и наночастицы [55]

262

Рис. 11.6. Захват наночастицы мембраной клетки [54]

Проникновение внутрь клетки возможно и без участия рецептора: например, наночастицы, модифицированные определенными амфифильными группами (оболочка для наночастиц, молекула, одна часть которой гидрофильна, а другая гидрофобна), могут сами проникать через мембрану, нисколько ее при этом не повреждая. Схожий механизм используют и амфифильные пептидыпереносчики или поликатионные полимеры, которые могут использоватьсядлянаправленной доставки частиц вклетку.

Существует минимальный радиус частицы, при котором она может быть захвачена внутрь клетки, и оптимальный радиус, при котором захват происходит с максимальной эффективностью. Для сферических и цилиндрических частиц такие оптимальные размеры равны 15 и 30 нм соответственно, но для наночастиц, «укрытых» слоем трансферрина (белки в плазме крови, осуществляют транспорт ионов железа), этот радиус составляет ~50 нм. (Трансферрин активно используется для доставки соединений с плохой фармакокинетикой [43].)

С точки зрения чистой термодинамики среди частиц одного объема легче всего должны захватываться сферы, но на практике во многих случаях оказывается, что другие формы – например, цилиндрические частицы гидрогеля полиэтиленгликоля – захватываются с большей скоростью. Однако макрофаги, старающиеся «проглотить» все чужеродные частицы при помощи фагоцитоза, наоборот, часто упускают длинные цилиндрические

263

образования из виду: наверное, поскольку такая форма не встречалась до эры искусственных наночастиц, «тканевые стражи» оказываются сбитыми с толку.

Для осуществления захвата должны образоваться специфические (лиганд–рецептор) и неспецифические (гидрофобные, кулоновы) взаимодействия. Высвобождающаяся при этом свободная энергия служит для противоборства силам, препятствующим захвату частицы:

–Обеспечивают захват: специфическое взаимодействие – связывание рецептор–лиганд; неспецифические – взаимодействия с мембраной, высвобождение свободной энергии в месте контакта; оптимальные – размер и форма частицы; энергозависимые механизмы мембраны и цитоскелета.

–Препятствуют захвату: эластичность мембраны, температурные флуктуации мембраны, скорость диффузии рецепторов, прочность и эластичность взаимосвязи рецептор–лиганд.

Учитывая, с одной стороны, большую эффективность захвата внутрь клетки, а с другой – меньшую вероятность фагоцитоза, делаем вывод, что для направленной доставки в клетку лучше всего подходят не сферические, а именно цилиндрические (или дискообразные) частицы, которые лучше тем, что проще проходят через просвет капилляров.

Углеродные нанотрубки имеют цилиндрическую форму. Если говорить о достаточно длинных (>20 нм) и жестких (многослойных) нанотрубках, то их присутствие в ткани как раз вызывает сбои в поведении макрофагов. Эти клетки оказываются неспособными «проглотить» такую большую частицу и лишь выбрасывают

всреду токсичные формы кислорода (АФК) и гидролитические ферменты, вызывая хроническое воспаление. И хотя пока не существует однозначных доказательств, в принципе нанотрубки могут вызывать развитие мезотелиомы, поскольку асбестовая пыль приводит к этому типу опухоли по весьма схожему механизму. Втабл. 11.2 приведены данные по возможным механизмам токсичности разных типов наночастиц, а также область их использования, еслиудастсятоксичностьпреодолеть.

264

Таблица 1 1 . 2

Механизмы цитотоксичности различных наноматериалов и приемы, потенциально позволяющие достичь безопасного применения

Продолжение табл. 1 1 . 2

Продолжение табл. 1 1 . 2

Окончание табл. 1 1 . 2

Первоначальное расположение захваченной внутрь клетки частицы – это фагосома или эндосома (в зависимости от того, каким способом был произведен захват). Следующим этапом эти везикулы сливаются с лизосомой, образуя вторичную лизосому, и уже на этом этапе наночастицы могут начать оказывать на клетку аномальное влияние (рис. 11.7). В частности, внутри лизосомы такие наноматериалы, как катионные дендримеры, полимеры в комплексе с ДНК, производные полистирола, могут вызывать эффект «протонной губки». Часто содержащиеся в наноматериалах (например, дендримерах или полиэтиленимине) ненасыщенные аминогруппы присоединяют протоны, в обилии со-

268

Рис. 11.7. Схема механизма «протонной губки», приводящего к разрушению лизосом и лежащего в основе цитотоксичности некоторых наночастиц [43]

держащиеся в кислой среде лизосом, что заставляет протонные помпы (равно как и каналы ионов хлора) продолжать работать до тех пор, пока лизосома не набухнет и в конце концов не лопнет. При этом, конечно, все содержимое лизосомы попадает в цитоплазму – и наночастицы, и кислота. Кроме этого, разрыв лизосомы чреват активацией Ca2+-зависимых пор в митохондриях, что приводит к снижению синтеза АТФ и даже апоптозу (гибель клетки при уменьшении ее размера). Многие другие механизмы токсичности наночастиц также связаны с процессами, происходящими в лизосомах.

269

11.4. Выведение нанотоксикантов

В процессе удерживания в клетках различных органов и тканей токсиканты подвергаются воздействию ферментов, способных биотрансформировать (метаболизировать) токсиканты, образуя метаболиты. Существует много путей выведения токсикантов и/или метаболитов: с выдыхаемым воздухом через легкие, с мочой через почки, с желчью через ЖКТ, с потом через кожу, со слюной через слизистую оболочку рта, с молоком через молочные железы, а также через волосы и ногти путем нормального роста и оборота клеток.

Элиминация абсорбированного токсиканта зависит от пути его попадания в организм. В легких процесс абсорбции / десорбции начинается немедленно и токсиканты частично выводятся из организма с выдыхаемым воздухом. Элиминация токсикантов, абсорбированных другими путями попадания в организм, занимает больше времени и начинается после переноса кровью, завершаясь после распределения и биотрансформации. Во время абсорбции существует равновесие между концентрацией токсиканта в крови, тканях и органах. Выделение снижает концентрацию токсиканта в крови и может вызвать мобилизацию токсиканта из тканей в кровь

Токсикант может быть выведен одновременно одним или несколькими путями выведения из организма. Как правило, один из путей является доминирующим.

Эта картина на рис. 11.8 получена на основе анализа более

130видов наночастиц, используемых в терапевтических целях. Основные параметры, определяющие биосовместимость

(изображенную цветовым спектром), – размер, ζ-потенциал в растворе и гидрофобность. Так, катионные частицы небольшого размера и с высокой реакционной способностью поверхности почти всегда оказываются токсичными – по сравнению с более крупными гидрофобными частицами, которые довольно быстро

ибезопасно выводятся из организма при участии ретикулоэндотелиальной системы (РЭС). Частицы, избегающие немедленного вывода почками или печенью, обладают средними размерами

инейтральным поверхностным зарядом.

270