IJS - Odsek za sintezo materialov

Slovensko   English

Novice

Kontakt

 

Vodja odseka

prof. dr. Darko Makovec
darko.makovec@ijs.si 
Telefon: (01) 477 35 79 
 

 

Tajništvo 

Bernarda Anželak
bernarda.anzelak@ijs.si 
Telefon: (01) 477 33 23

Funkcionalizacija magnetnih nanodelcev za uporabo v biomedicini

 

Pomembno področje raziskav odseka je priprava in funkcionalizacija magnetnih nanodelcev za uporabo v biomedicini.

Pri uporabi magnetnih nanodelcev v medicini običajno sledimo navidezno zelo preprostemu konceptu, po katerem na površino magnetnih delcev preko vmesnega funkcionalizacijskega sloja molekul vežemo različne bioaktivne molekule. Tako nastalemu kompozitu (konjugatu) lahko nato na daljavo sledimo preko magnetnih lastnosti, ga usmerjamo na določeno (obolelo) mesto v telesu, ali pa z njim celo segrevamo okoliško tkivo. Najenostavnejša uporaba magnetnih nanodelcev in vitro je za magnetno separacijo in selekcijo biomolekul ali celic iz kompleksnih medijev, ki je lahko ena od stopenj v procesu diagnostike. S funkcionalizacijo nanodelcev, to je z vezavo posebnih funkcionalnih molekul na njihovo površino, dosežemo specifično vezavo ciljanih biomolekul/celic na magnetne delce. Sledi lahko magnetna separacija, ali pa specifično vezavo zaznamo preko spremembe v magnetnih lastnostih.   Trenutno so magnetni nanodelci registrirani kot kontrastno sredstvo pri slikanju z magnetno resonanco in vivo. Razvija pa se veliko novih konceptov diagnostike in zdravljenja in vivo, na primer ciljana dostavo zdravilnih učinkovin z uporabo magnetnega polja, zdravljenje raka z magnetno hipertermijo, detekcija rakastih tkiv preko detekcije magnetnih nanodelcev, ki se selektivno vežejo na rakaste celice in nekatere druge. Seveda morajo nanodelci, da bi bili primerni za takšne raznovrstne aplikacije, izpolnjevati mnogo zahtev, kot so nestrupenost, koloidna stabilnost v fizioloških pogojih, biokompatibilnost, itd. Kot magnetni material za biomedicinske uporabo se uporablja izključno enega od magnetnih železovih oksidov, predvsem maghemit. Predvsem za uporabo v magnetni hipertermiji se razvijajo tudi nanodelci drugih magnetnih oksidov, na primer nanodelci heksaferitov (SrFe12O19) ali magnetnih perovskitov (LaSrMnO3), ki imajo primernejše magnetne lastnosti.

Za uporabo nanodelcev v biomedicini, je potrebno na njihovo površino vezati različne molekule, ki jih narekuje uporaba. To prestavlja precejšen kemijski problem, saj so površine oksidov kemijsko relativno inertne in na splošno ne omogočajo močne kovalentne vezave. Pomagamo si s tem, da oksidne nanodelce prevlečemo s tanko plastjo amorfnega silicijevega oksida. Ta s svojimi površinskimi silanolnimi Si-OH skupinami omogoči kovalentno vezavo funkcionalizacijskih molekul. Funkcionalizacijske  molekule prispevajo specifične funkcionalne skupine za nadaljnjo vezavo biološko aktivnih molekul na površino nanodelcev, hkrati pa omogočijo kompatibilnost nanodelcev s fiziološkimi tekočinami in preprečujejo njihovo aglomeracijo. Kot funkcionalizacijske molekule uporabljamo predvsem različne organo silanske molekule, kot je na primer trietoksi aminopropil silan (APS).

 

Maghemitni nanodelec prevlečen s tanko plastjo amorfnega silicijevega oksida (levo) in shema vezave fluorescentne molekule FITC na nanodelec preko funkcionalizacijske molekule trimetoksi amino propil silana (desno).

 

 

Funkcionalne skupine na površini omogočajo nadaljnjo vezavo različnih (bio)molekul (biokonjugacijo), ki jih narekuje uporaba,  na primer biokompatibilnih molekul, ki zagotavljajo dolge zadrževalne čase nanodelcev v krvnem obtoku, kot so molekule polietilen glikola, zdravilnih učinkovin, fluorescentnih molekul za sledenje z optičnimi metodami, tarčnih ligandov, ki omogočajo aktivno ciljanje nanodelcev v določene, običajno rakave celice, in podobno.

 

Uspešnost priprave biokonjugatov raziskujemo v sodelovanju drugimi inštitucijami, predvsem  z Odseka za biotehnologijo IJS in Fakultete za farmacijo Univerze v Ljubljani.

Tako smo raziskovali  ciljani vnos nanodelcev v rakave celice s pomočjo vezave tarčnih ligandov monoklonskih protiteles in molekul epidermalnega rastnega faktorja (ERF) na funkcionalizirane nanodelce. Tarčni ligandi prepoznavajo specifične receptorje, ki so v večjem obsegu izraženi na rakavih celicah in tako omogočajo ciljano dostavo nanodelcev. Poudarek je bil predvsem na raziskovanju vpliva načina vezave tarčnega liganda na uspešnost ciljanja. 

 

Raziskovali smo tudi vpliv površinskega naboja na nanodelcih na njihovo internalizacijo v celice in vitro.  Tumorske celice v celični kulturi smo izpostavili suspenziji magnetnih nanodelcev funkcionaliziranih z amino skupinami (pozitiven površinski naboj) ali karboksilnimi skupinami (negativen naboj). Za sledljivost s tehnikami temelječimi na  optični mikroskopiji, smo na nanodelce vezali fluorescentne molekule karboksil fluorescein sukcinimidil estra. Privzem nanodelcev v celice smo zasledovali s pretočno citometrijo, z merjenjem magnetnih lastnosti (v sodelovanju z Inštitutom za matematiko, fiziko in mehaniko) in s presevno elektronsko mikroskopijo (v sodelovanju z Inštitutom za biologijo celice, Medicinske fakultete Univerze v Ljubljani). Izkazalo se je, da nanodelci s pozitivnim površinskim nabojem vstopajo v celice več kot desetkrat pogosteje, kot nanodelci z negativnim površinskim nabojem.

 

Konfokalna fluorescenčna (levo) in TEM (desno) slika celice s privzetimi magnetnimi nanodelci.
IJS - Odsek za sintezo materialov