Вездесущие карлики
В чем может скрываться опасность наночастиц
Как в нашу жизнь вторглись и стали незаменимыми наночастицы, зачем они нужны и чем опасны, рассказывает Сергей Овчинников, заслуженный деятель науки России, доктор физико-математических наук, профессор, руководитель научного направления «магнетизм» ФИЦ «Красноярский научный центр» СО РАН.
Сергей Овчинников
Фото: Анастасия Тамаровская
Сергей Овчинников
Фото: Анастасия Тамаровская
Конец XX и начало XXI столетий ознаменовались становлением и развитием новых областей науки, связанных с изучением материалов, имеющих одно, два или три измерения, уменьшенных до наномасштаба. Приставка «нано-» происходит от греческого слова «nanos» (карлик). В 1947 году на 14-й конференции Международного союза теоретической и прикладной химии термин «нано» был официально принят для описания размеров порядка 10–9 см, он стал употребляться во многих областях современной науки и технологии.
Могут лечить рак
По составу и функциональным возможностям огромное разнообразие наночастиц в настоящее время принято разделять на несколько классов: квантовые точки, фуллерены и наночастицы. Каждый из них имеет широкие области применения. Мы остановимся лишь на некоторых.
Не только размер имеет значение
Приставка нано-, то есть переход к очень маленьким размерам, принципиально изменяет свойства материалов. Колоссальную роль начинает играть поверхность, в которой нарушаются симметрия и тип связей между атомами вещества. В наночастице количество атомов на поверхности ненамного отличается от количества атомов в объеме частицы. Так, для наночастиц золота диаметром 3 нм половина всех атомов лежит на поверхности, диаметром 10 нм — 17%, а для 100 нм — около 2%.
Другое важное отличие наночастиц от макроскопических материалов связано с усилением роли квантовых эффектов. Согласно квантовой теории, каждая частица одновременно имеет и волновые свойства: например, электрон в кристалле можно рассматривать не только как заряженный шарик, переносящий электрический ток, но и как волну, бегущую по кристаллу и отражающуюся от его поверхности. Точно так же упругие колебания атомов кристалла имеют свойства и волн, и частиц-фононов.
При размере частицы порядка нанометров квантовые эффекты становятся более выраженными, поскольку частицы вынуждены ограничивать свое движение. Такое ограничение получило название «квантовый конфайнмент». Так, в результате эффектов квантового ограничения наночастицы благородных металлов, немагнитных в массивном состоянии, становятся магнитными. Возникновение уникальных свойств наноматериалов по сравнению с массивными аналогами обеспечивает множество новых приложений.
Некоторые авторы связывают первые реальные шаги нанонаук с важнейшими открытиями 1980-х годов — это открытие квантового эффекта Холла в двумерном электронном газе, изобретение сканирующей туннельной микроскопии, открытие фуллерена как новой формы углерода. Последние два события в течение нескольких лет привели к изобретению атомно-силового микроскопа, а в начале 1990-х годов — к выдающемуся открытию углеродных нанотрубок, которые вскоре стали стартовой площадкой для современных технологий. Все эти достижения, связанные с двумерными материалами, отмечены Нобелевскими премиями. В этом ряду находится разработка нобелевским лауреатом Жоресом Алферовым полупроводниковых гетероструктур, основанных на нанослоях полупроводника.
В последние годы возникла и развилась новая область медицины — наномедицина, связанная с применением наночастиц в диагностике, терапии и фармацевтике. Например, благодаря эффекту поверхностного плазмонного резонанса наночастицы благородных металлов эффективно поглощают свет и преобразуют его в тепло, которое можно использовать для селективной фототермической терапии рака. Магнитные наночастицы, движущиеся в переменном магнитном поле, избирательно уничтожают раковые клетки путем механического воздействия. Полые или пористые наночастицы могут служить контейнерами для адресной доставки лекарств. Наночастицы используются для визуализации клеток в биосенсорах ДНК, углеводов, белков и ионов тяжелых металлов для обнаружения бактерий и вирусов.
Магнитные наночастицы, например на основе Gd, могут улучшить качество изображения и контрастность в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Так, наночастицы GdPO4 были использованы для обнаружения опухолей с помощью МРТ при количестве введенных наночастиц в десять раз меньше, чем при обычно используемом агенте.
Освещают экраны, удобряют почву
Наночастицы — квантовые точки, такие как CdS и ZnSe, используются в современных дисплеях, чтобы получить более высокую яркость, контрастность и большие размеры экранов. Наночастицы используются в сельском хозяйстве в качестве наноудобрений и нанопестицидов. Наноудобрения применяются в меньших количествах, чем обычные химические удобрения, но при этом имеют более высокую эффективность благодаря тому, что они способны выделять питательные вещества именно тогда и там, где они необходимы растениям. Таким образом, они ограничивают избыточное количество удобрений преобразованием его в газообразное состояние и предотвращают утечку в грунтовые воды.
Как и всякое научно-техническое достижение, нанотехнологии связаны с возможными опасностями для людей, иногда вымышленными, иногда реальными. Поэтому и на международном уровне, и в каждой стране организованы нанотоксикологические исследования и государственное регулирование производства и использования продукции нанотехнологий. Система оценки риска наноматериалов включает обширный комплекс физико-химических, биохимических, молекулярно-биологических, токсикологических тестов и специальных исследований, позволяющих провести оценку их воздействия на биологические объекты.
Такие исследования проводятся, например, в Институте химической физики им. Н. Н. Семенова РАН, НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина, Федеральном исследовательском центре Института цитологии и генетики СО РАН и других.
Маленькие, да удаленькие
В чем же потенциальная опасность наночастиц? Малый их размер, сопоставимый с размерами молекул, обеспечивает наночастицам уникальную проникающую способность, а их большая удельная площадь поверхности обеспечивает взаимодействие огромного количества активных центров на поверхности с различными веществами, и все это невидимо для глаз и приборов с оптическим разрешением. А если представить, что даже в самом малом объеме, например в точке на кончике зубочистки, содержится огромное количество отдельных частиц, то становятся понятными страхи их применения.
Как один из ведущих центров страны в области физики магнитных явлений, наш институт сосредоточился на изучении в основном магнитных наночастиц, то есть частиц, ядро которых или вся частица полностью характеризуются наличием магнитного порядка. В основном это наночастицы различных ферритов. Техническое оснащение института позволяет визуализировать частицы, определять их размеры, форму, структуру, фазовый и химический состав и даже пространственное распределение элементов в них, изучать магнитные и магнитооптические свойства наночастиц в большом диапазоне магнитных полей и температур.
Совместно с нашими коллегами-медиками из Красноярского государственного медуниверситета им. В. Ф. Войно-Ясенецкого и биологами из лаборатории цифровых управляемых лекарств и тераностики ФИЦ КНЦ нами проведены исследования магнитных свойств различных наночастиц. Нам удалось выяснить, какие наночастицы лучше всего подойдут для медицинского использования. Связывание наночастиц со злокачественными клетками позволяет реализовать различные сценарии физического воздействия на них. В нашем институте разработаны и изготовлены лабораторные установки для отработки режимов воздействия низкочастотным магнитным полем, малой, не представляющей опасности для человека интенсивности как на клеточные культуры, так и на подопытных мышей. Разработана модель запуска гибели злокачественных клеток в переменном магнитном поле. Десятиминутное воздействие переменным магнитным полем на магнитные наночастицы, введенные в кровеносную систему организма мышей и собравшиеся в пораженном органе, вызывало гибель опухолевых клеток.
Лучше любого фильтра
Еще одно из направлений исследований нашей лаборатории связано с очисткой воды от различного рода загрязнений. Вода — один из самых богатых ресурсов в мире, но только менее 1% мировых запасов воды доступно и безопасно для потребления человеком. Все большее число источников питьевой воды демонстрируют признаки загрязнения. Качество воды в водоемах влияет не только на потребляемую из них воду, но и на все биологические процессы. Традиционные методы очистки воды и сточных вод не позволяют эффективно удалять многие загрязнители.
А наночастицы благодаря развитой поверхности способны поглощать большой объем загрязнителей, поэтому множество исследователей в мире пытаются использовать их для очистки загрязненной воды. Преимущество магнитных наночастиц — в возможности эффективно извлекать их из воды с помощью магнитной сепарации и повторно использовать после регенерации поверхностных свойств. Мы изучаем адсорбционные свойства магнитных наночастиц магнетита в различных функциональных оболочках из углерода или двуокиси кремния по отношению к ряду различного типа органических красителей. Соединение свойств уже известных с давних пор человечеству хороших адсорбентов — таких как углерод, кремний, антибактериальное серебро — с магнитными свойствами наночастиц расширяет возможности их использования.
Для исследования адсорбционных свойств синтезированных частиц были выбраны органические красители, наиболее часто встречающиеся в сточных водах различных производств: катионные — метилен синий и родамин и анионные — конго красный, метилен оранжевый и эозин. Эффективность адсорбции оценивалась по изменению интенсивности окраски раствора красителя в результате его взаимодействия с наночастицами. Среди новых результатов — происходит взаимодействие молекул красителя между собой на поверхности наночастиц, когда в уже связавшихся с поверхностью молекулах красителя происходит перераспределение электронной плотности. В результате другие молекулы красителя взаимодействуют с прицепленным слоем молекул, и при магнитной сепарации из раствора удаляется магнитная наночастица с длинным хвостом молекул красителя, что, в свою очередь, заметно увеличивает степень очистки воды.
В чем наша оригинальность
Кроме нас подобные исследования по использованию магнитных наночастиц для лечения онкологических заболеваний ведут многие научные коллективы в России и в мире, но почти все пользуются повышенной проницаемостью мембран раковых клеток, а это приводит к накоплению наночастиц в раковой опухоли. Это схоже с накоплением используемых сейчас химиопрепаратов, когда наночастицы разносятся кровотоком по всему организму. С одной стороны, доза наночастиц многократно превышает предел токсичности, а с другой — спустя короткое время концентрация опускается ниже терапевтического порога.
В нашей же работе используется покрытие поверхности наночастиц распознающими агентами — аптамерами, небольшими, искусственно синтезированными фрагментами ДНК. В результате наночастицы приобретают свойство распознавать злокачественные клетки и воздействовать только на них, при этом здоровые клетки такие наночастицы обходят стороной, что обеспечивает адресность доставки к нужным клеткам. При этом важным вопросом остается влияние структуры аптамера на специфичность его связывания с раковыми клетками. Одним их оригинальных и важных результатов совместных исследований с нашими коллегами — медиками и биологами — стала разработка методики, позволяющей определять пространственную структуру аптамеров.
Для белков можно синтезировать кристалл, атомная структура которого может быть изучена стандартными методами рентгеновской кристаллографии. Аптамеры в силу их малых размеров не кристаллизуются, они существуют в растворе. Для малых частиц хорошо известен метод исследования их структуры по измерениям малоуглового рассеяния рентгеновского излучения от синхротронных источников. Стандартная программа обработки результатов дает информацию о пространственном распределении зарядовой плотности, этого мало для целенаправленной работы по конструированию новых материалов.
Чтобы понимать, куда можно присоединить ту или иную молекулу к аптамеру при конструировании новых применений, необходимо иметь полную информацию о молекулярной структуре аптамера. В нашем коллективе был предложен метод определения молекулярной структуры аптамера, в котором информация из экспериментов, проведенных нами на синхротроне Курчатовского института, дополнялась молекулярным моделированием с применением современных методов теории функционала плотности. Наш подход позволяет получить атомную и электронную структуру аптамеров при нормальных условиях в растворе для биомедицинских исследований.
Лучше меньше, да лучше
Все проводимые исследования не только накапливают фундаментальные знания о свойствах наночастиц, но и приближают их прикладное использование в самых различных областях науки и техники. Так, предварительное компьютерное моделирование структуры аптамера позволяет заранее предсказать, какая форма аптамера будет более эффективной, и тем самым сократить в разы затраты на синтез новых аптамеров.
Как утверждают медики, воздействие низкочастотного магнитного поля на организм создает гораздо меньшие риски и опасности, чем химические и радиационные воздействия. Полученные результаты подтверждают возможность успешного применения метода для высокоэффективного лечения злокачественных новообразований, что открывает перспективы его внедрения в медицинскую практику. Сейчас мы подали заявку на проект, в рамках которого планируется разработка стратегии доклинических исследований использования наночастиц для борьбы с раковыми опухолями. В результате этих исследований наши медики сделают следующий шаг в борьбе с раком.
Перспективы использования магнитных наночастиц для очистки водных ресурсов очевидны. Выход эксперимента из пробирки на большие объемы очищаемой воды — это сейчас самая актуальная задача, над которой работаем и мы, и многие лаборатории мира. Масштабирование эксперимента позволит использовать магнитные наночастицы в промышленных масштабах для очистки водных ресурсов, поэтому на этом этапе важно взаимодействие ученых и индустриальных партнеров, поиском которых озабочены и мы.
Красота и безграничность наномира поражает человечество, свойства столь малых частиц удивительны, перспективы их использования огромны. При этом за каждым отдельным применением стоит кропотливый труд технологов и ученых самых разных специальностей. В это важное дело мы вносим свой вклад.