Дистанционная активация с помощью импульсного электрического поля нанокомпозитных микрокапсул на основе комплексов липидов, полимеров и проводящих наночастиц

Аннотация

В данной статье представлены результаты работ по созданию новых чувствительных к внешнему нетепловому электрическому воздействию нанокомпозитных гибридных систем для инкапсулирования, адресной доставки и контролируемого высвобождения доставляемых веществ в водных средах на основе липидов, новых функциональных амфифильных молекул, полимеров и проводящих наночастиц. Основу таких систем составляют липосомы, содержащие электронейтральные биогенные липиды и специальные синтетические амфифильные молекулы, обеспечивающие связывание с липосомами полимеров и функциональных неорганических наночастиц. В данной работе использовались катионные липосомы на основе фосфатидилходина, содержащие до 20% катионного амфифильного соединения стеарилспермина; в качестве неорганических наночастиц использовались проводящие наночастицы магнетита Fe ₃O ₄; в качестве полимеров использовались полианионы - молекулы полистиролсульфоната. Нанокомпозитные липосомы формировали путем последовательной адсорбции на предварительно полученные ультразвуковым методом катионные липосомы коллоидных наночастиц магнетита и слоя полианиона. Полученные структуры исследовали методами просвечивающей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, электронного магнитного резонанса, лазерного светорассеяния, электрофореза, кондуктометрии и др. Для дополнительного контроля эффекта декапсуляции, возникающего вследствие нетеплового импульсного электрического воздействия на полученные нанокомпозитные липосомы, в их внутренний объем был помещенали раствор NaCl. В данной работе приведены результаты проведённого исследования возможности дистанционной активации нанокомпозитных липосом путем воздействия коротких (порядка 1 нс) электрических импульсов высокой напряженности (порядка сотни кВ/м). Предложена модель, описывающая механизм взаимодействия наноструктурированных липосом, содержащих на поверхности проводящие наночастицы, с внешним электрическим полем, которое приводит к существенному изменению структуры липосомы. Получены оценки критических значений внешнего электрического поля, приводящего к декапсуляции нанокомпозитных липосом. Полученные результаты указывают на возможность создания нанокомпозитных гибридных липосом и везикул на основе комплексов липидов, полимеров и наночастиц, структура и проницаемость оболочек которых может изменяться контролируемым образом с помощью нетеплового импульсного электрического воздействия. Такие наносистемы могут являться основой для создания новых эффективных средств инкапсулирования, адресной доставки и управляемого высвобождения различных веществ в водных средах, перспективных для био-медицинских и других применений.

• капсулы
• липосомы
• структура
• наночастицы
• магнетит Fe ₃O ₄
• полиэлектролиты
• импульс электрического поля

Abstract (in English)

In the paper we present results on the design, preparation and characterization of novel nanocomposite hybrid systems sensitive to external non-thermal electric field pulses and perspective for capsulation, targeted transport, controlled spatial localization and stimuli-addressed delivery of various compounds in aqueous media. The systems were formed from lipids, new functional amphiphilic molecules, polymers and conducting nanoparticles and were based on cationic liposomes containing electroneutral biogenic lipids and specific synthetic amphiphilic polyamine molecules which provide the binding of polyanions and functional inorganic nanoparticles with liposomes. In the present work cationic liposomes were formed from phosphatidylcholine and contained up to 20% of cationic amphiphilic compound stearylspermine. Magnetite Fe ₃O ₄ nanoparticles were used as magnetic conducting inorganic nanoparticles, polystyrene sulfonate was used as a polyanion. Nanocomposite capsules were prepared by sequential adsorption of colloid inorganic nanoparticles and polyanions onto the cationic hybrid liposomes presynthesized using conventional ultrasound technique. The fabricated nanostructures have been studied using a number of techniques including transmission electron microscopy, atomic force microscopy, electron mafnetic resonance, laser light scattering, electrophoresis, conductometry, etc. With the aim of additional control of decapsulation resulting from the non-thermal electric pulse effect on the prepared nanocomposite liposomes the NaCl solution was placed in the liposomal internal volume. In the present work we describe the results of the study of possibilities for remote activation of nanocomposite liposomes via action of short high voltage electric pulses (duration ~ 1 ns, electric field strength about hundreds kV/m). The model describing the mechanism of interaction of nanostructured liposomes containing the conducting nanoparticles on their surface with external electric field resulting in substantial changes of liposome structure is proposed. The evaluations of external electric field critical values resulting in nanocomposite liposomes decapsulation have been carried out. The data obtained point to the possibilities for creation of nanocomposite hybrid liposomes and vesicules on the base of complexes of lipids, polymers and nanoparticles which are characterized in that their shell structure and permeability can be changed controllably by effect of non-thermal electric pulses. Such nanosystems can be a base for creation of novel efficient tools for capsulation, targeted transport and controlled delivery of various compounds in aqueous phases prospective for bio-medical and other applications.

Для цитирования

Литература

1. A.I. Freeman, E. Mayhew, Targeted drug delivery // Cancer, 1986, Vol. 58(S2), 573-583.
2. Svenson, Sonke; Prud'homme, Robert K. (Eds.), Multifunctional Nanoparticles for Drug Delivery Applications: Imaging, Targeting, and Delivery Series // Nanostructure Science and Technology, Springer, 2012, 373p.
3. S. Parveen, R. Misra, S.K. Sahoo, Nanoparticles: a boon to drug delivery, therapeutics, diagnostics and imaging // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 2012, Vol.8(2), 147-166.
4. K. Kataokaa, A. Haradaa, Y. Nagasaki, Block copolymer micelles for drug delivery: design, characterization and biological significance // Advanced Drug Delivery Reviews, 2001, Vol.47(1), 113-131.
5. Nasongkla N, Bey E, Ren J, Ai H, Khemtong C, Guthi JS, Chin SF, Sherry AD, Boothman DA, Gao J., Multifunctional polymeric micelles as cancer-targeted, MRI-ultrasensitive drug delivery systems // NanoLett. 2006, Vol. 6(11),:2427-30.
6. A.Z. Wang, R. Langer, O.C. Farokhzad, Nanoparticle Delivery of Cancer Drugs // Annual Review of Medicine, 2012, Vol.63, 185-198.
7. E.Donath, G.B.Sukhorukov, F.Caruso, S.A.Devis, H.Möhwald // Angew.Chem. Int. Ed. Engl. 37 (1998) 2202.
8. G.B. Sukhorukov, E. Donath, S.A. Davis, Lichtenfeld, F. Caruso, V.I. Popov, H. Möhwald // Polym. Adv. Technol. 9 (1998) 759.
9. Radtchenko I.L., Sukhorukov G.B., Leporatti S., Khomutov G.B., Donath E., Mohwald H., Assembly of alternated multivalent ion/polyelectrolyte layers on colloidal particles. Stability of the multilayers and encapsulation of macromolecules into polyelectrolyte capsules // J. Colloid. Interface Sci., 2000, V.230(2), p.272-280.
10. G.B. Sukhorukov, A. Antipov, A. Voigt, E. Donath, H. Möhwald pH-Controlled Macromolecule Encapsulation in and Release from Polyelectrolyte Multilayer Nanocapsules // Macromol. Rapid Commun., 2001, Vol.22, 44-46.
11. A.G. Skirtach, A.A. Antipov, D.G. Shchukin, G.B. Sukhorukov, Remote activation of capsules containing Ag nanoparticles and IR dye by laser light // Langmuir, 2004, Vol.20, 6988-6992.
12. B. Radt, T.A. Smith, F. Caruso, Optically Addressable Nanostructured Capsules // Adv. Mater. 2004, Vol.16, 2184-2189.
13. Z. Lu, M.D. Prouty, Z.Guo, V.O. Golub, C.S.S.R. Kumar, Y.M. Lvov // Langmuir, 2005, Vol.21, 2042-2050.
14. 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 // Technical Physics Letters, 2006, Vol. 32, No. 1, pp. 70-72
15. Gorin D.A., Shchukin D.G., KoksharovYu.A., Portnov S.A., Köhler K., Taranov I.V., Kislov V.V., Khomutov G.B., Möhwald H., Sukhorukov G.B., Effect of microwave irradiation on composite iron oxide nanoparticle/polymer microcapsules // Proceedings of SPIE, 2007, Vol.6536, №653604.
16. Schwendener R.A., Liposomes in biology and medicine // Adv. Exp. Med. Biol. 2007, Vol.620, 117-28.
17. D.D. Lasic, Liposomes: from physics to applications // Elsevier, Amsterdam, New York, 1993, 575 p.
18. A. Wagner, K. Vorauer-Uhl, Liposome Technology for Industrial Purposes // Journal of Drug Delivery, 2011, Article ID 591325, 9 p.
19. G.A. Koning, A.M.M. Eggermont, Lars.H. Lindner, T.L.M. ten Hagen, Hyperthermia and Thermosensitive Liposomes for Improved Delivery of Chemotherapeutic Drugs to Solid Tumors // Springer Pharm Res., 2010, P.1750-1754.
20. R. Ranganathan1, S. Madanmohan, A. Kesavan, G. Baskar, Y. Ramia, Krishnamoorthy, R. Santosham, D. Ponraju, S.K. Rayala, G. Venkatraman, Nanomedicine towards development of patient-friendly drug-delivery systems for oncological applications // International Journal of Nanomecine, 2012, P.1043-1060.
21. Widder K.J., Senyei A.E., Scarpelli D.G. Magnetic microspheres:a model system for site specific drug delivery in vivo // Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 1978., Vol.58. 141-146.
22. Giersig M., Khomutov G.B., (Editors.), Nanomaterials for application in medicine and biology // Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2008, 188p.
23. Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю., Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства // Успехи химии, 2005, т.74, №6, c.539-574.
24. Amstad E, Textor M, Reimhult E., Stabilization and functionalization of iron oxide nanoparticles for biomedical applications // Nanoscale, 2011, Vol.3(7), 2819-43.
25. A. Kumar Gupta,M. Gupta, Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications // Biomaterials, 2005, Vol.26, 3995-4021.
26. Berry C., Curtis A. Functionalisation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine // J. Phys. D: Appl. Phys., 2003, 36, R198-R206.
27. Lu A.-H., Salabas E.L., Schuth F., Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and application // Angew. Chem. Int. Ed. 2007, p.1222-1244.
28. J. Kim, H.S. Kim, Multifunctional Uniform Nanoparticles Composed of a Magnetite Nanocrystal Core and a Mesoporous Silica Shell for Magnetic Resonance and Fluorescence Imaging and for Drug Delivery // Angewandte Chemie International Edition, 2008, Vol.47(44), 8438-8441.
29. A. Gupta, Surface-modified superparamagnetic nanoparticles for drug delivery: preparation, characterization, and cytotoxicity studies // 2004, IEEE Trans Nanobioscience, 3(1), 66-73.
30. A. Akbarzadeh, M. Samiei, S. Davaran, Magnetic nanoparticles preparation, physical properties, and applications in biomedicine // Nanoscale Research Letters, 2012, p. P.144.
31. Strijkers G.J., Kluza E., Van Tilborg G.A., van der Schaft D.W., Griffioen A.W., Mulder W.J., Nicolay K., Paramagnetic and fluorescent liposomes for target-specific imaging and therapy of tumor angiogenesis // Angiogenesis, 2010, 13(2), 161-173.
32. Massart R. // IEEE Trans. Magn. 1981, MAG-17, 1247-1248.
33. G.B. Khomutov, Y.A. Koksharov, Organized ensembles of magnetic nanoparticles: preparation, structure and properties, In: "Magnetic Nanoparticles", Edited by S.P. Gubin, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2009, p.p.117-195.
34. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц // Электродинамика сплошных сред, Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2003, 651 стр.
35. В.В. Батыгин, И.Н.Топтыгин // Сборник задач по электродинамике, Москва: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002, 640 стр.
36. V. P. Kim, A. V. Ermakov, E. G. Glukhovskoy, A. A. Rakhnyanskaya, Yu. V. Gulyaev, V. A. Cherepenin, I. V. Taranov, P. A. Kormakova, K. V. Potapenkov, N. N. Usmanov, A. M. Saletsky, Yu. A. Koksharov, and G. B. Khomutov, Planar Nanosystems on the Basis of Complexes Formed by Amphiphilic Polyamine, Magnetite Nanoparticles, and DNA Molecules // Nanotechnologies in Russia, 2014, Vol. 9, Nos. 5-6, 280-287.