Вісник НАН України. 2017. № 12. С.28-34
https://doi.org/10.15407/visn2017.12.028
МАЛЮКІН Юрій Вікторович —
член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор, провідний науковий співробітник відділу наноструктурних матеріалів Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України
НОВІТНІ ЛЮМІНЕСЦЕНТНІ НАНОМАТЕРІАЛИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ, БІОМЕДИЧНІ ТА ТЕХНІЧНІ ЗАСТОСУВАННЯ
За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 11 жовтня 2017 року
У доповіді наведено результати досліджень люмінесцентних властивостей нового класу наноматеріалів — поліфункціональних редокс-активних нанокристалів, які можуть брати активну участь у біологічних процесах, що відбуваються на рівні окремих клітин, і водночас характеризуються наявністю власної люмінесценції, інтенсивність якої корелює з про-/антиоксидантною дією наночастинок. Зокрема, у ролі таких наночастинок проаналізовано нанокристали діоксиду церію та ортованадатів рідкісноземельних елементів, активованих іонами європію, як найбільш перспективні редокс-активні наноматеріали. Дослідження, проведені за допомогою методів стаціонарної та розподіленої у часі спектроскопії в умовах контрольованої зміни редокс-статусу їх оточення, показали, що зазначені наночастинки можуть як безпосередньо демонструвати анти-/прооксидантну дію, так і відігравати роль проміжної ланки в процесах генерації синглетного кисню молекулами-фотосенсибілізаторами. Показано перспективність використання отриманих нанокристалів для біомедичних застосувань — як матеріалів для потреб фотодинамічної терапії і антиоксидантів.
Ключові слова: нанокристали, антиоксиданти, фотодинамічна тепрапія.
За останні 10–15 років до переліку медичних засобів, рекомендованих Всесвітньою організацією охорони здоров’я, було включено цілу низку наноматеріалів, які були розроблені для потреб біомедичної галузі і пройшли всі стадії попередніх досліджень — in vitro, in vivo та клінічні тестування [1]. Цей список включає в себе наноконтейнери для цільової доставки ліків, наночастинки — контрастні агенти (зокрема, для магнітно-резонансної терапії), наносенсори та біоактивні наночастинки як компоненти біоімплантатів. Значна кількість розробок у цій галузі дозволяє говорити про появу окремого напряму в медичному матеріалознавстві — наномедицини [2].
На сьогодні ключовим завданням наномедицини є перехід від наночастинок як пасивного агента для доставки ліків та візуалізації внутрішньоклітинних процесів до наночастинок, які могли б брати активну участь у метаболізмі живої клітини і контрольовано впливати на біохімічні процеси всередині клітини [3]. З цієї точки зору одними з найперспективніших об’єктів є редокс-активні наночастинки, зокрема нанокристали з іонами змінної валентності. Такі нанокристали можуть істотно впливати на оксидативний баланс живої клітини та/або стабілізувати рівень активних форм кисню (АФК) у клітині, що, в свою чергу, може сприяти подоланню негативних наслідків оксидативного стресу чи, навпаки, призводити до додаткової генерації АФК і, як наслідок, контрольованого знищення клітини (що актуально, наприклад, при онкологічних захворюваннях) [4, 5].
При цьому однією з ключових проблем, що обмежує використання редокс-активних наночастинок у медицині, є створення механізмів ефективного контролю анти-/прооксидантної активності нанокристалів у живих клітинах. З цього погляду найбільший інтерес становлять нанокристали з іонами змінної валентності, які мають власну люмінесценцію, — насамперед нанокристали, активовані рідкісноземельними (РЗ) іонами. Люмінесценція нанокристалів, активованих РЗ-іонами, характеризується значною фотостабільністю, що уможливлює довготривалий моніторинг їх редокс-активності в біологічних зразках.
Наночастинки для контролю рівня активних форм кисню в живій клітині
Проблема боротьби з оксидативним стресом у живій клітині є надзвичайно актуальною, про що свідчить постійно зростаюча кількість публікацій у міжнародних журналах, присвячених цій тематиці. Як було показано ще наприкінці 90-х років, оксидативний стрес, зумовлений окисненням клітинних мембран вільними радикалами, не лише є причиною низки тяжких захворювань, а й може розглядатися як один із ключових механізмів, що призводить до старіння організму [6]. Більш того, як було доведено в публікаціях останніх років, проблема боротьби з оксидативним стресом є комплексною, що зумовлено подвійною роллю активних форм кисню в процесах метаболізму в живій клітині. Зокрема, було встановлено, що трактування активних форм кисню виключно як побічних продуктів метаболізму, що завдають шкоди клітині, виявилося некоректним. Так, у роботі [7] було показано, що малі концентрації АФК відіграють надзвичайно важливу роль у сигнальних процесах у живій клітині, а також у захисті клітини від зовнішніх факторів (імунна відповідь).
Отже, якщо надлишкові концентрації активних форм кисню можуть спричинювати незворотне руйнування клітинних компонентів (зокрема, плазматичної мембрани клітини), то надмірне пригнічення процесу вироблення клітиною активних форм кисню може призводити до порушення сигнальних процесів у клітині, а у випадку лейкоцитів — і до неспроможності клітини належно виконувати свої функції щодо імунного захисту. Таким чином, завдання ефективного антиоксидантного захисту живої клітини на сьогодні полягає не стільки в повному знищенні АФК, скільки в ефективному контролі їх концентрації у клітині. Одним із таких методів контролю є створення люмінесцентних міток, люмінесцентні властивості яких значною мірою залежать від концентрації АФК у живій клітині.