Разработка мезомасштабных гибридных магнитных частиц для биомедицинских приложений

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-72-20158

НазваниеРазработка мезомасштабных гибридных магнитных частиц для биомедицинских приложений

Руководитель Панина Лариса Владимировна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" , Калининградская обл

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова наночастицы, микродиски, магнитные наноматериалы, гипертермия, фототермальная терапия, плазмонный резонанс, модель гепатоцеллюлярной карциномы

Код ГРНТИ29.19.22, 29.19.33, 29.19.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект является междисциплинарным проектом по созданию, характеризации и исследованию функциональных свойств гибридных микро- и нано- структур и их апробации для биомедицинского применения: реализации метода фототермальной терапии. В рамках проекта планируется разработать и впервые создать гибридные материалы для фототермальной терапии рака - многослойные микродиски, состоящие из последовательности магнитных (на основе FeCo) и плазмонных компонент (Au). Будет проведен анализ формирования магнитных и структурных свойств таких частиц, и проведен сравнительный анализ их свойств и эффективности с хорошо зарекомендовавшими себя в фототермальной терапии наночастицами “ядро-оболочка” (частицы “ядро-оболочка” будут также синтезированы в проекте для проведения сравнительного анализа и эффективности метода на различных архитектурах). Анализ современного состояния дел, а также имеющийся научный задел исполнителей проекта, позволили разработать стратегию, которая основана на усиленном тепловыделении при воздействии магнитных полей и оптического излучения на наночастицы и микродиски. Эффективность гипертермии будет повышена за счет пространственной ориентации наночастиц и микродисков во внешнем магнитном поле, которая позволит подавить эффекты переизлучения и локализовать взаимодействие плазмонных мод в ближнем поле и усилить локализованный плазмонный резонанс и, как следствие, величину поглощения оптического излучения. В то время, как частицы с сильной анизотропией формы, изготовленные литографическими методами, показали высокую эффективность для магнитомеханического разрушения клеток, они не были применены в качестве медиатора фототермальной терапии. Ожидается, что включение магнитного поля в процессе фототермальной терапии позволит усилить данный эффект за счет ориентации магнитных структур. Данный подход позволит осуществлять терапию более точечно и комбинировать ее с другими, уже известными методами терапии (магнитной гипертермии, фототермальной терапии и магнитомеханического разрушения) и диагностики (МРТ, визуализация магнитных частиц (MPI)), где магнитные наночастицы и микродиски уже применяются. Основные усилия данного проекта будет нацелены на усиление величины пика поглощения оптического излучения за счёт взаимной ориентации магнитных наночастиц или микродисков в пространстве. Таким образом, впервые будут синтезированы слоистые нанодиски, комбинирующие необходимые магнитные и оптические свойства для применения их в фототермальной терапии; впервые в рамках одного проекта будет проведен сравнительный анализ мезомасштабных материалов и будут обсуждены перспективы их использования для разрушения раковых клеток.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Панина Л.В., Загорский Д.Л., Шумская А., Долуденко И.М., Евстигнеева С.А., Мельникова П.Д., Хайретдинова Д.Р., Луккарева С.А., Гилимьянова А. Р. 1D Nanomaterials in Fe-Group Metals Obtained by Synthesis in the Pores of Polymer Templates: Correlation of Structure, Magnetic, and Transport Properties Physica Status Solidi A: Applications and Materials Science (год публикации - 2022)
10.1002/pssa.202100538

2. Моторжина А. В., Йованович С., Беляев В. К., Мурзин Д. В., Пшеничников С. Е., Колесникова В. Г., Омельянчик А. С., Газвода Л., Спрайтцер М., Панина Л. В., Родионова В. В., Вуканович М., Левада Е. В. Innovative Gold/Cobalt Ferrite Nanocomposite: Physicochemical and Cytotoxicity properties Processes (год публикации - 2022)

3. Моторжина А. В., Беляев В. К., Колесникова В. Г., Йованович С., Панина Л. В., Левада Е. В. Наночастицы золото/кобальтовый феррит, легированный цинком в исследовании цитотоксического эффекта на клетки Т-лимфобластной лейкемии Российские Нанотехнологии, том 17, выпуск 3 (год публикации - 2022)

4. Шумская Е. Е., Кожина Е. П., Бедин С. А., Андреев С. Н., Кулеш Е. А., Рогачев А. А., Ярмоленко М. А., Корольков И. В., Козловский А. Л., Здоровец М. В., Беляев В. К., Родионова В. В., Панина Л. В. Detection of Polynitro Compounds at Low Concentrations by SERS Using Ni@Au Nanotubes Chemosensors, 10(8), с. 306 (год публикации - 2022)
10.3390/chemosensors10080306

5. Панина Л. В., Беляев В. К., Аникин А. А., Шумская Е. Е., Козлов А. Г., Огнев А. В., Рогачев А. А., Корольков И. В., Козловский А. Л., Здоровец М. В., Родионова В. В. Нанокомпозиты со структурой магнитное ядро-золотая оболочка для фототермии Physics of Metals and Metallography (год публикации - 2023)
10.31857/S0015323022600927

6. Муззи Б., Альбино М., Габанни А., Омельянчик А., Козенкова Е., Петрекка М., Инноценти К., Балика Е., Лавачи А., Скавоне Ф., Анцечи Ц., Петруччи Г., Ибарра А., Лайрензана А., Пинейдер Ф., Родионова В., Сагрегорио К. Star-Shaped Magnetic-Plasmonic Au@Fe3O4 Nano-Heterostructures for Photothermal Therapy ACS Appl. Mater. Interfaces, 14, 29087−29098 (год публикации - 2022)
10.1021/acsami.2c04865

7. Омельянчик А. С., Камзин А. С., Валиуллин А.А., Семенов В. Г., Верещагин С. Н., Волочаев М., Дубровский А., Свиридова Т., Козенков И., Долан Е., Педдис Д., Родионова В. Iron oxide nanoparticles synthesized by a glycine-modified coprecipitation method: Structure and magnetic properties Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, номер 647 (год публикации - 2022)
10.1016/j.colsurfa.2022.129090

8. Аникин А. А., Сальников В., Пшеничников С., Беляев В. К., Джованович С., Гуревич А., Левада Е., Родионова В. В., Панина Л.В. Magnetic, optical and photothermal properties of Fe3O4 and CoFe2O4 nanoparticles coated with organic materials Journal of Magnetism and Magnetic Materials (год публикации - 2024)
10.1016/j.jmmm.2023.171507

9. А.А. Аникин, Е.Е. Шумская, С.А. Бедин, И.М. Долуденко, Д. Р. Хайретдинова, В.К. Беляев, В.В. Родионова и Л.В. Панина Исследование магнитных и оптических свойств Ni@Au нанотрубок для локальной противораковой терапии Известия Российской академии наук. Серия физическая (год публикации - 2024)

10. Аникин А.А., Моторжина А.В., Беляев В. К., Родионова В. В., Панина Л. В. Оптические свойства магнитоплазмонных микродисков ИРАН Серия физическая (год публикации - 2025)

11. Моторжина А. В., Пшеничников С. Е., Аникин А. А., Беляев В. К., Якунин А. Н., Жарков С. В., Тучин В. В., Йованович С., Сангригорио К., Родионова В. В., Панина Л. В., Левада Е. В. Gold/Cobalt Ferrite Nanocomposite as a potential agent for photothermal therapy Journal of Biophotonics (Wiley), Том 17, выпуск 7 (год публикации - 2024)
10.1002/jbio.202300475

12. Пшеничников С. Е., Моторжина А. В., Аникин А. А., Панина Л. В., Левада Е. В. Потенциал использования композитных нано- и микроматериалов в качестве агента для биомедицинских применений Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Естественные и медицинские науки (год публикации - 2025)

13. А. Аникин, Ф. Шумская, А. Моторжина,Ф. Гуревич, С. Бедин, И. Долуденко,д. Хайретдинова, В. Беляев, Е. Левада, В. Родионова, Л. Панина Photothermal and magnetic studies of Ni@Au nanotubes for anti-cancer therapies Modern Electronic Materials (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения проекта были синтезированы гибридные мезомасштабные частицы из ферромагнитных и благородных металлов. Наночастицы в виде нанозвёзд Au@Fe3O4 со структурой ядро@оболочка были синтезированы с помощью техники термического разложения; мезомасштабные трубки из никеля (НТ) были созданы методом шаблонного синтеза и впоследствии покрыты сплошным золотым слоем химическим методом; методом отрывной оптической литографии и электронно-лучевого распыления сформированы два типа слоистых металлических дисков с разной последовательностью и толщиной функциональных слоев слоев Au/Fe/Au и Fe/Au/Fe. Основное назначение мезомасштабных частицах - их применение в комбинированной фототермической терапии и магнитомеханическим разрушении клеток во внешнем низкочастотном переменном магнитном поле. Для установления закономерностей между структурой, свойствами и воздействием изготовленных частиц на клеточные культуры были проведены масштабные междисциплинарные исследования. Характеризация форм, размеров и состава мезомасштабных частиц различной формы была проведена методами сканирующей и просвечивающей микроскопии, энергодисперсионного анализа, атомно-силовой и магнито-силовой микроскопии. В программном пакете MuMax3 проведено моделирование микромагнитной структуры Анализ магнитных и микромагнитных свойств позволил прийти к выводу, что в дисках стабилизируются вихревые магнитные конфигурации в остаточном состоянии вне зависимости от ориентации внешнего магнитного поля. Исследование динамики перемагничивания дисков с двумя магнитными слоями показала зарождение и смещение вихрей в соседних слоях как в отдельных дисках, так и в их ансамблях. Были проведены исследования фототермических свойств наночастиц Au@Fe3O4, никелевых микротрубок с золотым покрытием и без, а также слоистых микродисков с чередованием слоев Au/Fe/Au и Fe/Au/Fe. Была дана количественная оценка оптической плотности нано- и микрочастиц, а также их коэффициентов фототермической конверсии. Изменение спектральных зависимостей нано- и микрочастиц в зависимости от их формы и состава было изучено теоретически, а затем подтверждено экспериментально. Полученные результаты необходимы для дальнейшей модификации нано- и микрочастиц с целью получения более эффективных агентов для противораковых терапий. Для исследования воздействия гибридных мезомасштабных частиц из ферромагнитных и благородных металлов на раковые клетки была собрана установка, обеспечивающая в термостатированных условиях возможность оказания одновременного фототермического и магнитомеханического воздействия на клеточные культуры в стандартных биологических планшетах. В ходе исследования потенциала применения материалов для фототермической и магнитомеханической терапии проведена комплексная оценка цитотоксичности полученных нано- и микроматериалов. С использованием методов спектрофотометрии обнаружено, что наночастицы Au@Fe3O4 демонстрируют цитотоксические эффекты на широком диапазоне концентраций гепатоцеллюлярной карциномы Huh7. Микродиски FAF и AFA напротив, не оказывают ингибирующего влияния на экспериментальные клетки. С использованием методов проточной цитометрии показано, что цитотоксичность наночастиц Au@Fe3O4 значительно усиливается в ходе фототермической терапии, что сопровождается ростом гранулярности клеток и индукцией неапоптотических путей клеточной гибели. Фототермическая терапия с применением микродисков также не приводила к индукции апоптотических процессов в клетках. В тоже время показано, что магнитомеханическая терапия с применением микродисков AFA и FAF снижает выживаемость клеток гепатоцеллюлярной карциномы Huh7. Данный эффект усиливается в случае проведения последовательной магнитомеханической и фототермической терапии, и достигает максимальной эффективности при проведении одновременной (совмещенной) магнитомеханической и фототермической терапии, приводя к гибели около 50% экспериментальных опухолевых клеток.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанные структуры типаNi(Fe)-ядро-Au-оболочка могут быть использованы в качестве SERS-активной подложки для обнаружения и распознания взрывоопасных химических веществ, например, ((NO2)3C6H2N(NO2)CH3 и C6H3N3O8). Локализованный плазмонный резонанс обусловливает эффективность их использования. Оцененный нами коэффициент усиления порядка электромагнитного излучения достигает 10^4. Магнитные свойства в данном случае обуславливают повторное и управляемое применение.