Применение нанотехнологий в биологических исследованиях начинает приобретать все большее значение, способствуя разработке новых типов средств борьбы за здоровье человека. Одно из основных направлений нанобиотехнологии – разработка основанных на наночастицах структур для доставки лекарственных препаратов или генов.
Однако большинство используемых в настоящее время наночастиц токсичны для клеток и всего организма и поэтому непригодны для применения in vivo или долгосрочного использования. Ученые из Университета Буффало (University at Buffalo, UB) изучили потенциал новых основанных на оксиде кремния наночастиц ORMOSIL (органически модифицированный оксид кремния – organically modified silica,) на живых нейронах в организме дрозофилы и показали, что они не оказывают отрицательного влияния на жизнеспособность насекомых.
Нейрон в первичной нейрональной культуре, полученной из мозга плодовой мушки, ярко светится благодаря ORMOSIL - наночастицам, имеющим хорошие перспективы в качестве средства доставки лекарств в мозг. (Фото: Shermali Gunawardena/PLoS One)
Наночастицы ORMOSIL проникают в мозг, тела нервных клеток и аксоны нейронов, не вызывая их гибели и не нарушая нормальные нервные процессы. Ученые представили доказательства того, что они биосовместимы и могут эффективно использоваться в живых организмах в течение длительного периода времени. Наночастицы ORMOSIL не токсичны для развивающегося организма и не нарушают каких-либо важных клеточных функций.
Это первая работа, в которой тщательно исследована биосовместимость этого класса наночастиц на протяжении всего развития организма, а также в нервных клетках, что является убедительным основанием для их дальнейшего использования в организме человека.
Исполнительный директор Института лазеров, фотоники и биофотоники UB Парас Н. Прасад (Paras N. Prasad), PhD, возглавлял разработку наночастиц ORMOSIL. (Фото: buffalo.edu)
ORMOSIL – уникальная разновидность наночастиц, созданная исследовательской группой во главе с Парасом Н. Прасадом (Paras N. Prasad), исполнительным директором Института лазеров, фотоники и биофотоники (Institute for Lasers, Photonics and Biophotonics UB). Каждая наночастица является транспортным средством, которое ученые могут отправить к различным частям организма человека, заполнив имеющиеся в частице полости полезными химическими соединениями или геннотерапевтическими агентами, высвобождающимися под воздействием света.
Научный сотрудник Института лазеров, фотоники и биофотоники доктор Шермали Гунавардена (Shermali Gunawardena), доцент кафедры биологических наук UB, заинтересована в использовании наночастиц ORMOSIL для изучения процессов, происходящих в нейронах, нарушение которых может быть связано с нейродегенеративными заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера.
«Мы видели, что после поедания этих наночастиц личинками дрозофил, ORMOSIL в основном направлялся в кишечник и кожу. Но со временем, у взрослых мух, его можно было видеть в мозге. Это удивительные результаты, потому что наночастицы не оказывает каких-либо токсических эффектов на организм в целом или на нервные клетки», - говорит д-р Гунавардена.
Научный сотрудник Университета Буффало Шермали Гунавардена (Shermali Gunawardena), PhD, рассчитывает использовать наночастицы ORMOSIL для доставки лекарственных препаратов в нейроны головного мозга. (Фото: buffalo.edu)
Доктор Гунавардена является экспертом в области аксонального транспорта. Аксональный транспорт включает в себя движение моторных белков вдоль нитевидных аксонов нейронов. Эти молекулярные моторы – кинезины и динеины – переносят «грузы», в том числе жизненно важные белки, между синапсами и телом нервной клетки.
Одной из возможных проблем в этой нейронной системе является аксональная блокада, напоминающая дорожную пробку, но только в нейронах, образующаяся в результате агрегации определенных белков.
Ученые не знают, вносят ли такие блокады вклад в развитие заболеваний, например, болезни Альцгеймера или болезни Паркинсона, для которых характерны необычные скопления белков, называемые амилоидными бляшками и тельцами Леви. Но белок-предшественник амилоида (amyloid precursor protein, АРР), вовлеченный в развитие болезни Альцгеймера, как показано, играет определенную роль в аксональном транспорте, и, если блокада аксонов действительно является ранним индикатором нейродегенерации, наблюдаемой при болезни Альцгеймера, ее устранение может помочь предотвратить заболевание или отсрочить его начало.
Движение комплекса APP-YFP (amyloid precursor protein - yellow fluorescent protein) по аксону нервной клетки личинки дрозофилы. (Movie: buffalo.edu)
Движение APP-YFP по аксону личинки мухи нарушено экспрессией патогенных polyQ-белков. (Movie: buffalo.edu)
Вот где на помощь могут прийти наночастицы ORMOSIL: доктор Гунавардена надеется использовать эти наночастицы для целевой доставки препаратов к белковым «пробкам» в аксонах, чтобы разрушить эти скопления.
До возможного успеха еще очень далеко. Но потенциальная выгода огромна. Доктор Гунавардена считает свое исследование предприятием с «высокой степенью риска», но и награда за него может оказаться немалой.
В ближайших планах ученых – найти способ связать ORMOSIL с моторными белками, ведь сами по себе наночастицы не могут перемещаться вдоль аксонов.