ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2023. №12
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.12.5
УДК: 577.352.26
Наночастицы магнетита увеличивают
проводимость азолектинового бислоя
в неоднородном магнитном поле
А. А. Аносов, Е. Д. Борисова, И. В. Таранов, И. В. Григорян,
В. А. Черепенин, Г.Б. Хомутов
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
125009 Москва, ул. Моховая, 11/7
Статья поступила в редакцию 28 ноября 2023 г.
Аннотация. В методе магнитофекции магнитные поля и магнитные наночастицы используются для повышения эффективности доставки генов в клетки. Магнитофекция усиливает внедрение в клетки генных векторов, с которыми связаны магнитные наночастицы, за счет действия магнитного поля, которое удерживает наночастицы в области их применения. При этом считается, что само магнитное поле не меняет механизм поглощения (эндоцитоза) наночастиц. Как полезный эффект магнитофекции – доставка вектора в клетку, так и ее побочный эффект - цитотоксичность связаны с взаимодействием частиц с клеточными мембранами и, в частности, с липидными бислоями. В нашей работе исследовано влияние приложенного стационарного неоднородного магнитного поля и сферических суперпарамагнитных наночастиц магнетита диаметром около 4 нм на проводимость азолектиновых бислойных липидных мембран. Мембраны формировали в стационарном магнитном поле с магнитной индукцией до 26 мТл. Магнитное поле никак не влияло на проводимость мембраны. После контроля мембранной проводимости в окружающий мембрану раствор добавляли магнитные наночастицы. Добавка проводилась с одной стороны мембраны таким образом, чтобы магнитное поле притягивало наночастицы к поверхности мембраны. После добавления наночастиц в магнитном поле проводимость мембран увеличивалась на один-два порядка. Этот эффект проявлялся для всех мембран. Плавное увеличение проводимости сопровождалось в ряде случаев (для 25 % мембран) появлением скачков ока, что можно связать с образованием сквозных проводящих пор радиусом около 0.5 нм. Проводимость увеличивалась с увеличением градиента магнитного поля.
Ключевые слова: магнитофекция, наночастицы магнетита, стационарное магнитное поле, проводимость мембран.
Финансирование: работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда No 23-12-00125, https://rscf.ru/project/23-12-00125.
Автор для переписки: Таранов Игорь Владимирович, i.v.t@bk.ru
Литература
1. K.J. Widder, A.E. Senyei, D.G. Scarpelli, Magnetic Microspheres: A Model System for Site Specific Drug Delivery in Vivo, Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 158 (1978) 141- 146. https://doi.org/10.3181/00379727-158-40158
2. N. Laurent, C. Sapet, L. Le Gourrierec, E. Bertosio, O. Zelphati, (2011). Nucleic acid delivery using magnetic nanoparticles: The Magnetofection™ technology. Therapeutic delivery, 2(4), 471-482. https://doi.org/10.4155/tde.11.12
3. M.V. Tuttolomondo, S. Municoy, M. I. A. Echazú1, L.M. López, G. S. Alvarez, (2023). Magnetic Nanoparticles for Nucleic Acid Delivery: Magnetofection, Gene Therapy and Vaccines. Magnetic Nanoparticles for Biomedical Applications, 143, 278-313. https://doi.org/10.21741/9781644902332-10
4. Plank, C., Zelphati, O., & Mykhaylyk, O. (2011). Magnetically enhanced
nucleic acid delivery. Ten years of magnetofection-progress
and prospects. Advanced drug delivery reviews, 63(14-15), 1300–1331.https://doi.org/10.1016/j.addr.2011.08.0025. A.A. Sizikov, M.V. Kharlamova, M.P. Nikitin, P.I. Nikitin, and E.L. Kolychev. Nonviral Locally Injected Magnetic Vectors for In Vivo Gene Delivery: A Review of Studies on Magnetofection. Nanomaterials 2021, 11, 1078. https://doi.org/10.3390/nano11051078
6. Y.A. Koksharov, G.B. Khomutov, I.V. Taranov, Y.V. Gulyaev, S.P. Gubin Magnetic Nanoparticles in Medicine: Progress, Problems, and Advances. Journal of Communications Technology and Electronics. 2022. Vol. 67, No. 2. P. 101-116. https://doi.org/10.1134/S1064226922020073
7. Sukhorukov G.B., Antipov A.A., Voigt A., Donath E., Möhwald H. pH-controlled macromolecule encapsulation in and release from polyelectrolyte multilayer nanocapsules, Macromolecular Rapid Communications, V. 22, I. 1, P. 44-46, https://doi.org/10.1002/1521-3927(20010101)22:1
8. G.B. Khomutov, V.P. Kim, K.V. Potapenkov, A.A. Parshintsev, E.S. Soldatov, N.N. Usmanov, A.M. Saletsky, A.V. Sybachin, A.A. Yaroslavov, V.A. Migulin, I.V. Taranov, V.A. Cherepenin, Y.V. Gulyaev, Langmuir monolayers and Langmuir-Blodgett films of pH-sensitive lipid, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, V. 532, 2017, P. 150-154, https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2017.05.070.
9. Radt B., Smith T.A., Caruso F., Optically addressable nanostructured capsules, Advanced Materials. 2004. V.16. №23-24. P. 2184.
10. Lu Z., Prouty M.D., Guo Z.et al., Magnetic Switch of Permeability for Polyelectrolyte Microcapsules Embedded with Co@Au Nanoparticles, Langmuir. 2005. V.21. №5. P.2042., https://doi.org/10.1021/la047629q
11. D.A. Gorin, D.G. Shchukin, A.I. Mikhailov, K. Kohler, S.A. Sergeev, S.A. Portnov, I.V. Taranov, V.V. Kislov, and G.B. Sukhorukov, Effect of microwave radiation on polymer microcapsules containing inorganic nanoparticles. Tech. Phys. Lett. 32, 70–72 (2006). https://doi.org/10.1134/S1063785006010238
12. D.A. Gorin, D.G. Shchukin, Yu.A. Koksharov, S.A. Portnov, K. Köhler, I.V. Taranov, V.V. Kislov, G. B. Khomutov, H. Möhwald, and G. B. Sukhorukov, Effect of microwave irradiation on composite iron oxide nanoparticle/polymer microcapsules, Proc. SPIE 6536, Saratov Fall Meeting 2006: Coherent Optics of Ordered and Random Media VII, 653604 (20 June 2007); https://doi.org/10.1117/12.753423
13. Yu.V. Gulyaev, V.A. Cherepenin, V.A. Vdovin, I.V. Taranov, G.B. Sukhorukov, D.A. Gorin, and G.B. Khomutov, Decapsulation of polyelectrolyte nanocomposite microcapsules by pulsed microwave effect. J. Commun. Technol. Electron. 60, 1286–1290 (2015). https://doi.org/10.1134/S1064226915110042
14. S. Huth, J. Lausier, S.W. Gersting, C. Rudolph, C. Plank, U. Welsch, J. Rosenecker, Insights into the mechanism of magnetofection using PEI-based magnetofectins for gene transfer, J. Gene Med. 6 (2004) 923–936 https://doi.org/10.1002/jgm.577
15. Anosov, A., Koplak, O., Smirnova, E., Borisova, E., Korepanova, E., & Derunets, A. (2022). Effect of Cobalt Ferrite Nanoparticles in a Hydrophilic Shell on the Conductance of Bilayer Lipid Membrane. Membranes, 12(11), 1106. https://doi.org/10.3390/membranes12111106
16. Mueller, P.; Rudin, D.; Tien, H.; Wescott, W.C. (1962). Reconstitution of cell membrane structure in vitro and its transformation into an excitable system. Nature, 194, 979–980. https://doi.org/10.1038/194979a0
17. Anosov, A. A., Smirnova, E. Y., Korepanova, E. A., & Shogenov, I. M. (2019). The effects of SDS at subsolubilizing concentrations on the planar lipid bilayer permeability: Two kinds of current fluctuations. Chemistry and physics of lipids, 218, 10-15.
18. Smirnova, E.Y.; Anosov, A.A. Bilayer Lipid Membrane as Memcapacitance: Capacitance–Voltage Pinched Hysteresis and Negative Insertion Conductance. Membranes 2023, 13, 97. https://doi.org/10.3390/membranes13010097
19. A.E. Regazzoni, M.A. Blesa and A.J.G. Maroto, Interfacial properties of zirconium dioxide and magnetite in water, J. Colloid Interface Sci., 1983, 91, 560–570. https://doi.org/10.1016/0021-9797(83)90370-3
20. Vidojković, S.M., Rodríguez-Santiago, V., Fedkin, M.V., Wesolowski, D., & Lvov, S.N. (2011). Electrophoretic mobility of magnetite particles in high temperature water. Chemical Engineering Science, 66, 4029-4035. https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.05.021
21. Khomutov, G.B., Kim, V.P., Koksharov, Y.A., Potapenkov, K.V., Parshintsev, A.A., Soldatov, E.S., ... & Gulyaev, Y.V. (2017). Nanocomposite biomimetic vesicles based on interfacial complexes of polyelectrolytes and colloid magnetic nanoparticles. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 532, 26-35. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2017.07.035
22. Anosov, A.A., Smirnova, E.Y., Ryleeva, E.D., Gligonov, I.A., Korepanova, E.A., & Sharakshane, A.A. (2020). Estimation of the parameters of the Smoluchowski equation describing the occurrence of pores in a bilayer lipid membrane under soft poration. The European Physical Journal E, 43, 1-9.
23. Anosov, A.A., Smirnova, E.Y., Korepanova, E.A., Kazamanov, V.A., & Derunets, A.S. (2023). Different effects of two Poloxamers (L61 and F68) on the conductance of bilayer lipid membranes. The European Physical Journal E, 46(3), 14.
24. Antonov, V.F., Smirnova, E.Y., Anosov, A.A., Norik, V.P., & Nemchenko, O.Y. (2008). PEG blocking of single pores arising on phase transitions in unmodified lipid bilayers. Biophysics, 53, 390-395.
25. Anosov, A.A., Smirnova, E.Y., Sharakshane, A.A., Nikolayeva, E.A., & Zhdankina, Y.S. (2020). Increase in the current variance in bilayer lipid membranes near phase transition as a result of the occurrence of hydrophobic defects. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes, 1862(2), 183147.
26. Anosov, A., Borisova, E., Smirnova, E., Korepanova, E., & Osipov, A. (2023). Effect of Cytochrome C on the Conductance of Asolectin Membranes and the Occurrence of Through Pores at Different pHs. Membranes, 13(3), 268.
27. Santhosh, P.B., Velikonja, A., Perutkova, Š., Gongadze, E., Kulkarni, M., Genova, J., Eleršič, K., Iglič, A., Kralj-Iglič, V., & Ulrih, N. P. (2014). Influence of nanoparticle-membrane electrostatic interactions on membrane fluidity and bending elasticity. Chemistry and physics of lipids, 178, 52–62. https://doi.org/10.1016/j.chemphyslip.2013.11.009
28. Anosov, A., Astanina, P., Proskuryakov, I., Koplak, O., & Morgunov, R. (2022). Surface and Structure of Phosphatidylcholine Membranes Reconstructed with CoFe2O4 Nanoparticles. Langmuir, 38(47), 14517-14526.
Для цитирования:
Аносов А.А., Борисова Е.Д., Таранов И.В., Григорян И.В., Черепенин В.А., Хомутов Г.Б. Наночастицы магнетита увеличивают проводимость азолектинового бислоя в неоднородном магнитном поле. // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – №. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.12.5