Биотехнологический датчик

Полезная модель относится к медицине и может быть использована в качестве средства системы доставки лекарственных препаратов. Предложен биотехнологический датчик, состоящий из носителя, выполненного из наночастиц ферромагнетиков, в котором наночастицы дополнительно содержат защитную углеродную оболочку, имеют линейный размер менее 100 нм, причем датчик содержит не менее 2-х наночастиц, а в качестве носителя используют железо, никель, кобальт, их оксиды или композиты. Применение предлагаемого биотехнологического датчика позволяет исключить химическую активность наночастиц, что создает условия для более безопасного, эффективного и целенаправленного переноса и концентрирования лекарственных веществ и биологических молекул в целях лечения заболеваний человека и животных.

Полезная модель относится к медицине и может быть использована в качестве средства системы доставки лекарственных препаратов.

Синтез и биологические свойства магниточувствительных систем доставки фармацевтических препаратов представляют несомненный научно-практический интерес для медицинской науки и здравоохранения при лечении социально значимых заболеваний (инфекции, опухолевая патология и т.д).

Известен биотехнологический датчик, состоящий из наноматериалов и нанопорошков [1]. Именно наноразмерность и магнитоуправляемость частиц железа в таком датчике помогает переносить лекарственное вещество строго локально в необходимый участок тела с помощью магнитного поля.

Наиболее близким к предлагаемому является биотехнологический датчик, состоящий из носителя, выполненного из наночастиц, содержащих смесь металлического железа и его производных (оксиды, гидроксилы и композиты) [2]. Высокая величина удельной намагниченности и низкая коэрцитивная сила позволяют использовать наночастицы ферромагнетиков, к которым относятся железо, никель, кобальт, их оксиды и композиты (ферриты) [3], в качестве магнитоуправляемых систем даже при небольших напряженностях внешнего магнитного поля.

Недостатком известного биотехнологического датчика, обусловленным большой площадью поверхности вследствие наноразмерности частиц, является собственная химическая активность [4], опосредованная через свободнорадикальные процессы [5]. Подобное свойство нежелательно при переносе лекарственных средств и биологических молекул, так как способствует преждевременному растворению самого наноразмерного носителя, разрушению и изменению активности лекарственных средств и биологических молекул. Кроме того, само железо и его производные небезразличны для организма, способны накапливаться в печени и вызывать гибель гепатоцитов.

Новая техническая задача - создание биотехнологического датчика, в котором отсутствует химическая активность ферромагнитного носителя при сохранении им магнитных свойств для целенаправленного переноса и концентрирования лекарственных веществ и биологических молекул в биологические субстраты.

Для решения поставленной задачи в биотехнологическом датчике, состоящем из носителя, выполненного из наночастиц ферромагнетиков, наночастицы дополнительно содержат защитную углеродную оболочку, имеют линейный размер менее 100 нм, причем датчик содержит не менее 2-х наночастиц, а в качестве носителя используют железо, никель, кобальт, их оксиды или композиты.

Углеродная оболочка наносится на частицы носителя, имеющие линейный размер менее 100 нм (железо, никель, кобальт, их оксиды или композиты) путем испарения металла с последующей его конденсацией в потоке инертного газа, содержащего углеводороды. В процессе газофазного синтеза на поверхности наночастиц происходит высокотемпературный пиролиз углеводорода. Образующийся в результате этого углерод осаждается на поверхности каждой наночастицы в виде защитной оболочки толщиной не менее

Известно, что любое химическое взаимодействие начинается на границе раздела фаз (твердое тело/жидкая среда или газ, неорганический материал/биологическая ткань). Расположенная на поверхности наночастицы углеродная оболочка защищает носитель от его участия в химических реакциях.

Биотехнологический датчик работает следующим образом.

Исследование проведено in vitro, а также in vivo на 40 белых беспородных мышах обоего пола массой тела 18-22 г.

Получают нанодисперсии биотехнологического датчика с раствором цитостатика (Цисплатин-ЛЭНС) в фосфатном буфере в присутствии фосфолипидного концентрата из очищенного соевого лецитина. Находясь в биологической жидкости, биотехнологический датчик движется вслед за перемещением постоянного магнита с напряженностью 200 Эрстед и, таким образом, обеспечивает целенаправленный перенос лекарственного вещества in vitro. Аденокарцинома Эрлиха пассировалась в асцитной форме. Разовая доза перевивки в солидную форму (подкожно, нижняя конечность мышей) составляла 5×10⁶ клеток в 0,2 мл фосфатного буфера. Нанодисперсии биотехнологического датчика с раствором цитостатика вводили мышам в область подкожного роста перевиваемой аденокарциномы Эрлиха в 0,2 мл изотонического раствора хлорида натрия в течение 10 дней, начиная через 24 ч после перевивки опухоли, удерживали в зоне введения в течение 5 мин при помощи постоянного магнита с напряженностью 1300 Эрстед. На 28-е сутки после перевивки опухоли животные умерщвлялись под эфирным наркозом, оценивалась масса мышей, масса и размер опухоли. На гистологических срезах, окрашенных гематоксилином-эозином, определяли площадь опухолевой ткани, изучали состояние внутренних органов.

Результаты исследования показали 3-кратное уменьшение площади опухоли по сравнению с одним цитостатиком, применявшимся для лечения мышей без биотехнологическго датчика. Кроме того, использование биотехнологическго датчика значительно снижает общее токсическое влияние цитостатического препарата на внутренние органы (печень, почки). В целом это свидетельствует о безопасном для организма, эффективном и целенаправленном концентрировании лекарственных веществ при помощи биотехнологического датчика.

Доказательством сохранения магнитных свойств биотехнологического датчика, состоящего из носителя, выполненного из наночастиц ферромагнетиков, в котором наночастицы дополнительно содержат защитную углеродную оболочку, имеют линейный размер менее 100 нм, причем датчик содержит не менее 2-х наночастиц, а в качестве носителя используют железо, никель, кобальт, их оксиды или композиты, являются кривые намагничивания. Они свидетельствуют о высокой величине удельной намагниченности и низкой коэрцитивной силе, что характерно для ферромагнетиков.

В доказательство низкой собственной химической активности у предлагаемого биотехнологического датчика был использован кинетический метод микрокалориметрии. основанный на регистрации выделения или поглощения теплоты в модельной реакции радикального инициированного окисления кумола при 60°С (инициатор реакции АИБН, C ₈H₁₂N₄, азо-бис-изобутиронитрил). Чем больше величина регистрируемого теплового эффекта, тем больше химическая активность поверхности добавляемого компонента.

Тепловой эффект составлял для железа и его оксида (Fe₃O₄), для кобальта и никеля 22-44·10 ⁵ Дж/сек, для композита железа и магния (MgFe₂ O₄, магниевый феррит) - 1209×10⁵ Дж/сек. Тепловой эффект предлагаемого биотехнологического датчика составлял 11×10⁵ Дж/сек, независимо от химического состава ферромагнитного носителя (железо, никель, кобальт, их оксиды или композиты). При этом линейный размер частиц с различным химическим составом (железо, никель, кобальт, Fe₃O₄ , MgFe₂O₄), покрытых защитной углеродной оболочкой, варьировал в пределах наношкалы от 10 до 100 нм. Полученные данные свидетельствуют о низкой собственной химической активности предлагаемого биотехнологического датчика.

Известно, что в медицине необходима стерилизация устройств и изделий перед введением в организм, которая может нарушить их полезные свойства. Одним из наиболее часто применяемых способов стерилизации медицинских изделий является сухожаровая обработка.

Был выполнен дифференциальный термический анализ в доказательство наличия надежной защиты от воздействия высокой температуры предлагаемого биотехнологического датчика. Из спектра дифференциального термического анализа следует, что разрушение защитной углеродной оболочки на поверхности биотехнологического датчика происходит при температуре свыше 180°С. Это свидетельствует о возможности его стерилизации и надежности работы в организме человека и теплокровных животных.

Таким образом, применение предлагаемого биотехнологического датчика, позволяет исключить химическую активность наночастиц, что создает условия для более безопасного, эффективного и целенаправленного переноса и концентрирования лекарственных веществ и биологических молекул в целях лечения заболеваний человека и животных.

Список литературных источников, использованных при составлении описания:

1. Babincova M., Cicmanek P., Babinec P., Altanerova V., Altaner С. Magnetoliposomes mediated local electromagnetic hyperthermia // Radio Eng. - 2000. - Vol.9. - P.12-13.

2. Галанов А.И., Юрмазова Т.А., Савельев Г.Г., Булдаков М.А., Рудык Ю.В., Литвяков Н.В., Нечаев К.А., Тузиков С.А., Чердынцева Н.В., Яворовский Н.А. Разработка магнитоуправляемой системы для доставки химиопрепаратов на основе наноразмерных частиц железа// Сибирский онкологический журнал. - 2008. - 3. - С.50-57. (прототип)

3. Самойлов В.О. Медицинская биофизика: учебник для вузов. - 2-е изд., испр. и доп. - СПб: СпецЛит, 2007. - С.245.

4. Oberdorster G, Oberdorster E, Oberdorster J. Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles // Environ Health Perspect. - 2005. - Vol.113(7). - P.823-839.

5. Лысцов В.Н., Мурзин Н.В. Проблемы безопасности нанотехнологий. - М.: МИФИ, 2007. - С.18.

Средство для системы доставки лекарственных препаратов, содержащее постоянный магнит и носитель, выполненный из наночастиц ферромагнетиков, при этом в качестве носителя используют железо, никель, кобальт, их оксиды или композиты, наночастицы имеют линейный размер менее 100 нм и содержат защитную углеродную оболочку.