Направленная магнито-механическая доставка терапевтических агентов в онкологииНИР

Targeted Magneto-Mechanic Nanotherapeutics for Cancer

Соисполнители НИР

UNC Chapel Hill Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 20 сентября 2017 г.-31 декабря 2017 г. Направленная магнито-механическая доставка терапевтических агентов в онкологии
Результаты этапа: Проведен синтез и получены образцы гибридных магнитных наночастиц (МНЧ) магнетит и магнетит-золото, различных по структуре и форме, а именно: МНЧ магнетита в форме стержней, кубов и сфер с размером от 10 до 50 нм и узким распределением по размерам; МНЧ магнетит-золото типа «наногантели», в которых МНЧ магнетита и золота соединены попарно. Методом самоагрегации клеток под действием RGD-пептидов из монослойных культур клеток аденокарциномы молочной и предстательной желез получены образцы опухолевых сфероидов (3D - модели) для последующего тестирования разрабатываемых наноформуляций. В работе использовали следующие опухолевые клеточные линии: аденокарцинома молочной железы человека МСF-7; аденокарцинома молочной железы человека, устойчивая к действию доксорубицина MCF-7/DXR, и аденокарцинома предстательной железы LNCap (экспрессирующая ПСМА (простат- специфический мембранный антиген)) и РС-3 (не содержащая ПСМА). Создан проект установки для исследований in vitro с возможностью визуализации различных магнитных полей (постоянного, вращающегося, переменного с хаотической и однонаправленной ориентацией вектора магнитной индукции) в конфокальном/инвертированном оптическом микроскопе.
2 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Направленная магнито-механическая доставка терапевтических агентов в онкологии
Результаты этапа: Разработаны методы и проведен синтез наночастиц магнетита разных размеров и морфологии, в том числе несферической формы (типа ядро-оболочка, гантель, стержневидные). Полученные материалы охарактеризованы химическими и физическими методами. Впервые для изучения структуры полученных НЧ на субнанометровом и атомном уровне использована ПЭМ ВС с поточечным элементным картированием. Впервые получен ряд образцов типа «гантель» с прецизионным варьированием размера НЧ магнетита при сохранении размера НЧ золота. Проведена функционализация поверхности магнитных НЧ различными органическими соединениями, в частности, разными лигандами для магнитной и золотой частей наночастиц типа «гантель». Количественная оценка степени покрытия НЧ лигандами произведена при помощи термогравиметрического анализа (нагрев до 600-800°С в атмосфере аргона). Размер полученных функционализированных магнитных наноматериалов охарактеризован с использованием методов динамического светорассеяния и анализа траектории частиц. Полученные НЧ обладают гидродинамическим радиусом не более 200 нм. Методом самопроизвольной агрегации клеток под действием циклического RGD-пептида получены опухолевые сфероиды (3D клеточные модели) из различных опухолевых клеточных линий (аденокарцинома молочной железы человека MCF-7, глиома мозга человека U-87MG, глиома мозга крысы С6, мышиная меланома М3). Сфероиды из клеток аденокарциномы молочной железы мыши 4Т1 получены методом висячей капли. Полученные сфероиды охарактеризованы методами оптической и конфокальной микроскопии. Методом конфокальной микроскопии с помощью витального красителя (Calcein AМ) показано, что практически все клетки в сфероиде (на примере MCF-7) остаются жизнеспособными. Изучены особенности проникновения и накопления в различных клетках магнитных наноматериалов. Методом конфокальной микроскопии охарактеризовано проникновение наноматериалов, содержащих модельные красители (Nile Red и др.). Методами проточной цитометрии и флуориметрии охарактеризовано накопление в сфероидах. Установлено, что внутриклеточное распределение образцов магнитных НЧ может быть различным. Обнаружены места их локализации в окаймлённой везикуле, в эндосоме, в эндолизосоме (лизосоме), в цитоплазме и в аутофагосоме. Сравнение 2D и 3D клеточных моделей с точки зрения скорости проникновения модельного лекарства (Nile Red и доксорубицина в составе липосом) показало существенную разницу: в случае 2D модели интенсивное накопление липосом в клетках завершалось через 1 ч после начала эксперимента. В случае сфероидов наиболее интенсивное накопление липосом происходило в интервале времени от 1 до 4 ч инкубирования. Изучена динамика и роль агрегации магнитных наночастиц в постоянном и переменном магнитных полях теоретически и экспериментально. Разработаны модели, компьютерные программы. Кроме того, разработан проект и изготовлен опытный действующий макет установки, дающей возможность генерировать 4 вида магнитного поля: постоянное, одноосное переменное, вращающееся и квазихаотическое. Конструкция позволяет устанавливать магнитную головку на столик инвертированного или конфокального микроскопа.
3 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Направленная магнито-механическая доставка терапевтических агентов в онкологии
Результаты этапа: Получен ряд наногибридных материалов содержащих магнитные наночастицы (МНЧ) (мицеллы, липосомы, полимерные лиганды, лекарства). Проведена функционализация поверхности частиц. Для функционализации МНЧ магнетит-золото полимерными лигандами (мицеллы) были использованы биосовместимые полимеры, DSPE-ПЭГ-COOH и Плюроник F-127. МНЧ магнетит-золото, покрытые DSPE-ПЭГ-COOH, были использованы для разработки методики так называемой «двойной» функционализации ковалентно связанной с поверхностью Au меткой (Сy5), а также нековалентной загрузки лекарства или его флуоресцентной модели (Dox/NileRed) в полимерную оболочку на НЧ Fe3O4, c целью дальнейшего применения в тераностике и/ или мультимодальной визуализации. МНЧ магнетит-золото, покрытые плюроником F-127, применяли для модификации парой молекул «лекарство – вектор» (DOX в качестве лекарства/ тканеспецифический низкомолекулярный лиганд к простат-специфическому мембранному антигену (PSMA)). Гидродинамический диаметр частиц не превышал 350 нм, что делает их подходящим материалом для экспериментов на клеточной культуре. Показано, что размер и индекс полидисперсности НЧ-PEG как в воде, так и буферно-солевой среде сохраняются, по меньшей мере, в течение 2 недель. Кроме того, при 37°С диаметр и индекс полидисперсности НЧ-PEG в культуральной среде RPMI с добавлением и без добавления фетальной бычьей сыворотки (FBS) остаются на уровне исходных величин в течение 2 дней, что является достаточным для проведения последующих in vitro / in vivo экспериментов. Получены наногибридные наноматериалы на основе МНЧ различной анизометрии (сферы, стержни) в липосомах двух составов с различными температурами фазового перехода, загруженные флуоресцентной меткой (кальцеином) и белком – ингибитором Баумана-Бирка (BBI). Экспериментально исследованы закономерности влияния МНЧ различной формы и типа функциональных оболочек на контролируемое высвобождение терапевтического препарата (на модели низкомолекулярного красителя и высокомолекулярного белка) из везикул, показано, что НЧ ПМП более эффективно высвобождает краситель из липосом, содержащих насыщенные липиды с более высокой температурой фазового перехода. С помощью ПЭМ, конфокальной микроскопии и ИК Фурье-спектроскопии в режиме НПВО установлено, что действие НЧ ПМП влияет на упаковку гидрофобных алкильных цепей в мембране, приводя к формированию дефектов в мембране или разрушению липидных везикул. Для наногибридных материалов с ковалентно иммобилизованными гидрофильными МНЧ на поверхности мембраны липосомы проведена загрузка высокомолекулярным соединением (белком BBI). Обнаружено, что действие НЧ ПМП на данную систему способствует высвобождению BBI из примембранной полимерной оболочки. Таким образом, показана возможность высвобождения препаратов из магнитных липосом за счет магнитомеханической актуации в НЧ ПМП. Влияние ВЧ ПМП на апоптоз опухолевых клеток в условиях магнитного поля (МП) исследовали на примере наночастиц магнетит-золото типа «гантель» на клеточной культуре аденокарциномы молочной железы мыши 4Т1. Стандартный MTS тест был дополнен изучением активации апоптоза/некроза, а также генерации АФК. Так, 30 мин воздействия МП уже было достаточно для гибели 79 ± 8 % клеток (MTS-тест). В соответствии с этим обнаруживалась более выраженная активация апоптоза / некроза и генерация АФК. Разработаны теоретические и компьютерные модели и проведено экспериментальное исследование закономерности влияния МНЧ различной формы и типа функциональных оболочек на наномеханическую актуацию и увеличение проницаемости липидных мембран клеток. В ходе выполнения работ были разработаны модели действия стержнеобразных и сферических магнитных наночастиц (МНЧ) на липидную мембрану. Предложены механизмы действия магнитных наночастиц на мембрану, вызывающие её локальное разупорядочивание, которое может быть использовано для контролируемого выпуска лекарств из наноконтейнеров или изменения жизнедеятельности клеток. Исследована цитотоксичность наногибридных магнитных материалов, загруженных противораковым лекарством, на 2D и 3D моделях клеточных линий (MCF-7 и 4T1). Показано, что магнитные липосомы (МЛип) не являются токсичными для монослоя клеток обеих линий. МЛип, загруженные DOX, проявляют токсичность только через 72 ч инкубации при достаточно высоких концентрациях DOX. Для сфероидов, полученных из клеток MCF-7, токсичность не проявлялась даже через 72 ч. Разработана концепция и технический проект установки для генерирования динамического сверхнизкочастотного (СНЧ) магнитного поля (с частотой от нуля до нескольких десятков Гц) с помощью системы постоянных магнитов, приводимых в движение регулируемым электроникой электроприводом. Создана пилотная установка для экспериментов с клетками и лабораторными животными емкостью 8 лабораторных мышей (или 16-ячеечных плашек) в СНЧ магнитном поле с индукцией от 10 до 150 мТ и регулируемой частотой от 0.1 до 20 Гц. Разработана методика и определены оптимальные режимы применения НЧ магнитного поля для экспериментов с различными магнитными наночастицами (загруженными и незагруженными лекарственными средствами).
4 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Направленная магнито-механическая доставка терапевтических агентов в онкологии
Результаты этапа: Фундаментальной научной проблемой, на решение которой был направлен данный Проект, являлась разработка подходов комбинированной терапии онкологических патологий, включающих физические и биоспецифические методы воздействия. В рамках поставленной научной проблемы в работе были получены следующие основные результаты: 1. Изучено влияние низко- и высокочастотных магнитных полей (НЧ МП, ВЧ МП), а также полей сложной геометрии в различных системах, содержащих наногибридные магнитные материалы (наночастицы и различные везикулы с включенными как низко- , так и высокомолекулярными молекулами, в том числе белками и ферментами,), на клеточные 2D и 3D модели (монослои и сфероиды); 2. Изучены закономерности состав – строение – форма – размер наночастиц магнетита, имеющих различную функционализацию поверхности и влияние этих параметров на захват наночастиц клеточными 2D и 3D моделями; 3. Разработаны основные положения теории, а также методы и аппаратура для комбинированного управления магнитными наночастицами в различных системах с помощью постоянного МП, НЧ МП и ВЧ МП, а также их различными комбинациями; 4. Выявлены закономерности влияния различных вариантов МП на эффективность подавления роста и деградации опухолевых клеток (в том числе резистентных к химиотерапии) на 2D и 3D клеточных моделях. Полученные результаты являются оригинальными и новыми, соответствуют мировому уровню. За время выполнения проекта опубликована 41 научная работа, имеющая ссылку на данный Проект, в том числе 12 индексируемых в WoS, из которых 6 из Q1.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".