КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 21-72-20158

НазваниеРазработка мезомасштабных гибридных магнитных частиц для биомедицинских приложений

РуководительПанина Лариса Владимировна, Доктор физико-математических наук

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

Годы выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2024 

КонкурсКонкурс 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

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользования ДВФУ

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

Ключевые словананочастицы, 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.

Ожидаемые результаты
Данный проект ставит цель разработку мезомасштабных магнитоплазмонных структур для их применения в фототермальной терапии. Магнитные наноматериалы широко используются для биомедицинских приложений, что обусловлено возможностью дистанционного и неинвазивного детектирования, точечного терапевтического воздействия, а также контроля при доставке препаратов на их основе. Однако существующие методы терапии раковых заболеваний с использованием магнитных наночастиц, такие как гипертермия, имеют ряд недостатков, которые не представляется возможным устранить при традиционном подходе. Поэтому в настоящее время исследования направлены на разработку многофункциональных наноматериалов и методов их применения, позволяющих проводить мультимодальную терапию и диагностику. Предлагаемый нами подход позволит осуществить адресную терапию и комбинировать ее с другими методами терапии и диагностики, в которых находят применение магнитные наночастицы. Эффективность предлагаемых гибридных структур при использовании в фототермальной терапии будет оценена с использованием модельной линии раковых клеток. Таким образом, решение поставленных задач имеет не только научную, но и социальную значимость- необходимость поиска путей тераностики раковых заболеваний, в соответствии с направлением Н3 из Стратегии НТР РФ. В рамках выполнения проекта предполагается получение следующих результатов 1) Будет установлен протокол химического метода синтеза магнитоплазмонных наночастиц типа ядро-оболочка и получена серия образцов с различными размером и объемным соотношением магнитной и плазмонной составляющих, а также различным составом магнитной компоненты; 2) Будут исследованы их магнитные и структурные свойства, будет измерен параметр тепловыделения SLP при облучении оптическим излучением в присутствии внешнего магнитного поля и без него; 3) Будет проанализировано влияние структурных особенностей на оптические, магнитные и биологические свойства полученных частиц; будет установлен механизм корреляции между структурными, магнитными, оптическими и биологическими свойствами; 4) Будет установлен протокол изготовления методом маск-литографии и будут изготовлены микродиски с различными толщинами слоёв, числом слоёв, их последовательностью и диаметром; 5) Будут исследованы структурные, оптические, магнитный и микромагнитные свойства полученных микродисков; 6) Будет проанализировано влияние структуры изготовленных микродисков на их магнитные и микромагнитные свойства, будет установлен механизм формирования связи между этими свойствами; 7) Будут найдены параметры микродисков и наночастиц, наиболее подходящих для фототермальной терапии для разрушения раковых клеток, будут определены оптимальные конфигурации наночастиц с максимальным параметром SLP и лучшей биосовместимостью; 8) Будут установлена зависимости процессов возбуждения локализованных плазмон-поляритонов от поляризации светового излучения, а также величины и направления магнитного поля; 9) Будут определены специфические маркеры, которые характеризуют тип клеточной гибели в зависимости от типа используемого материала и метода стимуляции цитотоксичности; 10) Будет проведён сравнительный анализ биосовместимости двух типов микро и наноструктур, перспективы их использования для лечения раковых заболеваний предложенным методом; 11) Будет подготовлено не менее 6 статей для публикаций в журналах с высоким импакт фактором (входящих в Q1).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Данный проект нацелен на разработку мезомасштабных магнитоплазмонных наноструктур: наночастиц и микродисков. Первый этап проекта был посвящен изготовлению магнитных наночастиц различных размеров, а также изготовлению магнитоплазмонных гетероструктур на их основе. Были изготовлены серии магнитных наночастиц оксидов железа с различным размером и определены их структурные и магнитные характеристики. Использование метода соосаждения наночастиц оксида железа в среде в присутствии глицина позволило контролировать размер магнитных ядер путем изменения концентрации глицина. При этом получались стабильные водные суспензии таких частиц для последующей реакции замены лиганда (глицина) на более подходящие для адсорбции золота. Увеличение концентрации глицина приводило к уменьшению медианного размера частиц от ~10 нм при самой низкой концентрации до ~7 нм при самой высокой. Были найдены зависимости основных магнитных параметров (намагниченность насыщения, температура блокировки) от размеров наночастиц, которые контролировались толщиной слоя глицина. Впервые был применен метод электростатической самосборки магнитоплазмонных гетерогенных наночастиц в сонохимическом процессе. Были изучены их структурные, магнитные и оптические свойства, а также влияние изготовленных структур на биологические объекты. Пик в оптических спектрах поглощения указывает на наличие локализованного плазмонного резонанса в золотых частицах, причем он наблюдался на большей длине волны (порядка 600 нм), чем это характерно для золотых наночастиц в воздухе, что объясняется окружением оптически более плотными частицами феррита. Красный сдвиг локализованного плазмонного резонанса важен для биологических применений. Экспериментальные данные согласуются в модельными расчетами, проведенными в квазистатическом приближении. В качестве альтернативной архитектуры, исследовались никелевые нанотрубки, покрытые золотом. Эти системы получались двухступенчатым методом, включая электрохимический синтез в порах полимерных матриц с последующем осаждением золота на поверхности нанотрубок путем реакций замещения. Эффективность плазмонных свойств таких структур проявлялась в усилении Рамановского рассеяния с коэффициентом усиления до 10000. Было также продемонстрировано, что проведение реакции замещения непосредственно на поверхности нанотрубок не приводит к изменению их структурных и магнитных свойств. Был разработан протокол создания многослойных частиц в виде дисков. Диски производились в два этапа: в качестве первого шага, методом электронно-лучевой литографии были изготовлены шаблоны в виде гексагональной сетки, в которой менялся размер ячейки в зависимости от требуемого размера дисков (540 нм, 750 нм и 970 нм). Далее на шаблоны методом магнетронного распыления наносились слои благородного и ферромагнитного металлов. Магнитные свойства созданных структур были исследованы локальным и интегральным методоми. Локальные петли магнитного гистерезиса, полученные магнитооптическим методом, характеризовались небольшими значениями коэрцитивности (30-60 Э) и полями насыщения, что важно для дальнейшего применения многослойных частиц в виде дисков в качестве магнитоплазмонных систем. Были получены звездоподобные наночастицы со структурой типа ядро-оболочка, где поликристаллическое ядро золота было окружено магнетитовой оболочкой. Такая уникальная морфология позволила добиться превосходных магнитных свойств: высоких значений намагниченности насыщения и магнитокристаллической анизотропии по сравнению с аналогичными системами, известными из литературы. Это объясняется особенностями эпитаксиального роста кристаллитов магнетита на поликристаллическом золотом ядре. Интересно, что магнетит в такой структуре не окислялся до маггемита, о чем свидетельствует наблюдаемый переход Вервея. Оптические свойства таких систем также характеризуются красным сдвигом длины волны локализованного плазмонного резонанса, причем величина сдвига зависит от толщины магнитной оболочки. При увеличении толщины оболочки до 25 нм резонансная длина волны составляла 640 нм, что приближается к так называемому первому терапевтическому окну прозрачности. Одним из основных факторов, ограничивающих использование наноматериалов в биомедицинских приложениях, является цитотоксичность. Величина оказываемого токсического эффекта будет зависеть, помимо физико-химических характеристик наноматериала, от его количества (концентрации) в клеточной среде и места введения. Кровеносной система, обеспечивает транспорт материалов непосредственно в место терапевтического действия. Одновременно, наноматериалы взаимодействуют с иммунными клетками. В данном проекте, чтобы оценить взаимодействие синтезированных наночастиц с клетками крови, были использованы мононуклеарные клетки периферической крови и клетки Т-клеточной лимфомы (Jurkat). Влияние наноматериалов на адгезивные клетки были изучены на клеточной линии гепатокарциномы (Huh7). Результаты экспериментов продемонстрировали, что наночастицы Au/СFO вызывают токсический эффект в клетках Jurkat при концентрации 100 мкг/мл. При меньших концентрациях цитотоксический эффект не был зарегистрирован. Культивирование мононуклеарных клеток крови в присутствии Au/СFO исследованных концентраций не оказывало токсического эффекта. Данное различие в действии нанокомпозита на здоровые и опухолевые клетки предположительно является следствием отличий клеточного метаболизма данных групп клеток. Добавление в состав нанокомпозита Au/СFO цинка (Au/CFO_Zn) усиливало цитотоксический эффект. Нанокомпозит Au/CFO_Zn в концентрациях 50 и 100 мкг/мл ингибировал жизнеспособность клеток Jurkat по прошествии 24 ч культивирования. Культивирование клеток гепатокарциномы человека (Huh7) в присутствии нанокомпозита Au/CFO различных концентраций продемонстрировало явный цитотоксический эффект, что позволяет охарактеризовать наночастицы Au/CFO как гепатотоксичные.

 

Публикации

1. - REC "SMBA" visit “Actual problems of biological physics and chemistry. BPPC-2021 “ Официальный сайт НОЦ "Умные материалы и биомедицинские приложения", - (год публикации - ).

2. - Аспиранты БФУ выступили на конференции по биологической физике и химии в Севастополе Официальный сайт БФУ им. И. Канта, - (год публикации - ).

3. - Научные сотрудники БФУ выступили на международной конференции по функциональным материалам Официальный сайт БФУ им. И. Канта, - (год публикации - ).

4. 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).

5. 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).

6. 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).


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Для выполнения поставленных задач были синтезированы три серии образцов.: 1) Магнитоплазмонные нанокомпозиты со структурой ядро-оболочка, состоящие из легированных галлием наночастиц кобальтовых ферритов (CoGa0.5Fe1.5O4) и золотых наночастиц. Композиты производились в многостадийном синтезе, в котором магнитные наночастицы изготавливаются гидротермальным методом и затем гибридизируются золотыми наночастицами в сонохимическом процессе. 2) Гибридные магнитоплазмонные нанотрубки из ферромагнитных металлов методом матричного синтеза с последующим покрытием золотом с использованием реакций восстановления. 3) Многослойные микродиски со внутренним слоем Fe и внешними слоями Au с помощью метода электронно-лучевой литографии. Формирование рисунка производилось путем экспонирования электронным пучком заданных участков поверхности полимера, чувствительного к электронному излучению (электронорезиста). Для всех образцов были исследованы структурные, магнитные и оптические свойства. Они были также тестированы на цитотоксический эффект по отношению к различным культурам раковых клеток. Исследование магнитных свойств показало, что все структуры имели низкие значения остаточной намагниченности, что важно для создания устойчивых суспензий. Это обусловлено следующими факторами. Наночастицы допированного феррита кобальта характеризуются суперпарамагнитными свойствами в силу их размера. Ферромагнитные диски имеют вихревую магнитную структуру в основном состоянии. В случае железа за счет большой намагниченности насыщения формирование вихрей при уменьшении поля из насыщения происходит при полях порядка нескольких кЭ. Экспериментальные данные по намагниченности дисков согласуются с моделированием распределения намагниченности при помощи программного пакета MuMax3. Моделирование проведено для магнитных параметров Fe и для серии дисков размерами 650, 830 и 950 нм, разделенных расстоянием 150 нм. Порошки Ni нанотрубок демонстрировали изотропные кривые намагничивания. Уменьшение остаточной намагниченности связано с образованием циркулярной магнитной структурой. Исследования оптических свойств основаны на анализе спектров поглощения в различных диапазонах длин волн. Для всех структур особенности спектральных характеристик обусловлены локализованным плазмонным резонансом в нанометровых частицах золота (или нанометровых слоях золота). Расчет электрической поляризуемости и эффективного сечения рассеяния структур проводился в квазистатическом приближении, считая, что форма частиц может быть аппроксимирована эллипсоидальной. Для всех типов частиц были определены характерные длины волн плазмонного резонанса. Например, рассматривая диски как сплющенные эллипсоиды, можно получить, что мнимая часть поляризуемости максимальна для электрического поля в плоскости дисков, и для Au дисков (толщина/диаметр=0.1) в воде максимум приходится на длину волны 804 нм. Однако при перпендикулярном поле максимум мнимой части поляризуемости соответствует значительно меньшим длинам волн (~560 нм). Поскольку диски в суспензии ориентированы произвольно, это объясняет наблюдаемые широкие максимумы поглощения. Для исследования фототермии выполнялись циклы лазерного нагрева коллоидных растворов наночастиц с последующим охлаждением, что позволило определить коэффициент фототермической конверсии частиц, являющийся мерой их фототермической эффективности. Для дисков он составил 19±2%, для нанотрубок с равномерным золотым покрытием- 15 ± 2%. Сравнительно небольшие значение полученных коэффициентов могут быть связаны с тем, что длина волны лазера (808 нм) была выше средней резонансной длины волны, особенно в случае растворов с нанотрубками. В ходе исследований была проведена серия экспериментов по оценке цитотоксичности наночастиц Au@CoGa0.5Fe1.5O4 и Au@Fe3O4, а также микродисков. Эксперименты проводились на клеточных линиях гепатокарциномы Huh7, Т-клеточной лимфомы и МНК. Измерения уровня цитотоксичности наночастиц Au@Fe3O4 выявили обширное ингибирование жизнеспособности клеток при концентрациях 50 и 100 мкг/мл у клеток Huh7 и Jurkat. Последующие эксперименты с меньшими концетрациями 1, 5 и 10 мкг/мл выявили прямую концентрационно-зависимую связь наночастиц и величину токсического эффекта в клетоках Huh7. Наночастицы Au@CoGa0.5Fe1.5O4 также продемонстрировали дозозависимый цитотоксических эффект, увеличивающийся с возрастанием концентрации наночастиц. При этом клетки Jurkat обладают устойчивостью к токсическим эффектам, индуцированным наночастицами Au@CoGa0.5Fe1.5O4 в концентрации 10 мкг/мл. Проведенный анализ цитотоксического потенциала микродисков выявил их низкую токсическую активность у клеточных линий Huh7 и Jurkat. При этом концетрация 10 мкг/мл индуцировала снижение жизнеспособности клеток МНК по прошествии 24 ч. На последующих этапах были изучены морфологические изменения, сопряженные с культивацией клеточных культур человека совместно с наночастицами Au@CoGa0.5Fe1.5O4 и Au@Fe3O4 в различных концентрациях. Для оценки и фиксации морфологических изменений были использованы конфокальная микроскопия и система для непрерывного наблюдения и визуализации Cell-IQ за экспериментальными клетками. Наночастицы Au@CoGa0.5Fe1.5O4 концентрацией 100 мкг/мл не оказали значимых изменений на морфологию клеток Huh7 по прошествии 24 ч. В то же время, наночастицы Au@Fe3O4 снизили количество адгезивных клеток (вызывали “ошаривание” клеток), ввиду выраженному токсическому эффекту. Также в обоих вида исследованных наночастиц было обнаружено формирование агрегатов. Конфокальные изображения подтвердили данные, полученные с помощью системы Cell-IQ - общая морфология клеток Huh7 не претерпела изменений после 24 ч культивирования в питательной среде, содержащей 100 мкг/мл Au@CoGa0.5Fe1.5O4. Однако, в экспериментальной группе было обнаружено множество погибших клеток, с окрашенными клеточными ядрами и неокрашенной цитоплазмой. При этом контрольная группа характеризовалась наличием только одиночных мертвых клеток. Это подтверждает результаты, полученные с использованием тестов цитотоксичности. Использование низкой концентрации наночастиц Au@Fe3O4 (10 мкг/мл) в эксперименте, привело к изменению морфологии клеток Huh7 после 24 ч. Размеры экспериментальных клеток были уменьшены, а форма клеток была изменена и была близка к сферической. Подобные изменения клеточной морфологии характерны для клеток в состоянии стресса в ответ на внутриклеточную интернализацию наночастиц и/или пермеабилизацию клеточных мембран.

 

Публикации

1. - On August 22-26 we took part in the VIII Eurasian Symposium “Trends in Magnetism” — EASTMAG 2022 in Kazan! Официальный сайт НОЦ “Умные материалы и биомедицинские приложения”, - (год публикации - ).

2. 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).

3. 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).

4. 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).

5. 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).