Важным и актуальным направлением исследований в биофизике и ряде смежных областей науки, связанным с решением проблемы кардинального повышения эффективности лекарственной терапии онкологических и ряда других заболеваний, является создание биосовместимых средств капсулирования, адресной доставки и управляемого высвобождения биологически активных веществ (в том числе лекарственных препаратов) непосредственно в целевые области организма. Несмотря на постоянно возрастающее число научных групп по всему миру, активно работающих в данном направлении, поиски эффективных подходов к решению этой проблемы весьма далеки от завершения.

Нами были разработаны новые биосовместимые коллоидные носители для управляемой доставки биологически активных веществ в водных средах включая биологические жидкости. Основой для них послужили биомиметические везикулы - липосомы из фосфатидилхолина, функционализированные неорганическими наночастицами. Для функционализации липосом использовались наночастицы магнетита или золотые наночастицы, обеспечивающие восприимчивость носителей лекарственных препаратов к внешним управляющим физическим воздействиям. Функциональные неорганические наночастицы были локализованы непосредственно в гидрофобной области бислойной липидной мембраны. Возможность реализовать данную ключевую особенность описываемых везикул-носителей обеспечивалась путем предварительной гидрофобизации наночастиц.

Внутрь полученных нанокомпозитных везикул-носителей были загружены такие модельные вещества, как противораковый антибиотик доксорубицин и флуоресцентный краситель карбоксифлуоресцеин. Возможность выхода данных капсулированных модельных веществ из везикул можно количественно оценить, используя их флуоресценцию, обладающую характерным эффектом концентрационного тушением.

Было исследовано воздействие внешних импульсных электрических полей на нанокомпозитные везикулы с гидрофобизованными наночастицами золота в мембране, загруженные доксорубицином. С этой целью образцы растворов, содержащие везикулы, подвергались воздействиям импульсов электрического поля напряженностью порядка 2,25*106 В/м и длительностью порядка 10 нс. До и после воздействия измерялась интенсивность флуоресценции доксорубицина, а на основании относительного изменения интенсивности флуоресценции оценивалась степень разрушения липосом и изменения их проницаемости для капсулированных молекул.

Полученные данным образом экспериментальные данные указывают на выход капсулированного доксорубицина из нанокомпозитных везикул в результате импульсного электрического воздействия. В качестве дополнительного метода, подтверждающего разрушение находивших в растворе везикул, была использована просвечивающая электронная микроскопия.

Эффект разрушения нанокомпозитных везикул под действием внешних импульсов электрического поля объясняется значительным возрастанием напряженности электрического поля вблизи проводящих золотых наночастиц в результате их поляризации во внешнем электрическом поле. Это может приводить к локальному пробою липосомальных мембран вблизи частиц и разрушению липосомы с высвобождением капсулированных веществ.

Магнетит обладает полупроводниковыми свойствами, что обеспечивает восприимчивость везикул, функционализированных наночастицами магнетита, к внешним электрическим полям, как и в случае с золотыми наночастицами. Однако наибольший интерес представляет воздействие внешними полями на везикулы, имеющие локализованные непосредственно в мембране наночастицы магнетита. Мембраны липосом с локализованными в гидрофобной области наночастицами магнетита можно рассматривать как магнитоэластик.

Нами изучалось воздействие внешних магнитных полей на липосомы, содержащие в мембранах гидрофобизованные наночастицы магнетита; в качестве модельного вещества, загружаемого внутрь, использовался краситель карбоксифлуоресцеин. Раствор, содержавший нанокомпозитные везикулы, выдерживался в постоянном магнитном поле напряженностью 1,9 кЭ в течение часа. До и после воздействия производилось измерение интенсивности флуоресценции образца.

Изменение интенсивности флуоресценции карбоксифлуоресцеина указывает на выход красителя из везикул-носителей в раствор под действием внешнего магнитного поля. Как и в случае экспериментов с электрическим полем, везикулы, подвергавшиеся воздействию магнитного поля, были дополнительно охарактеризованы методом ПЭМ. Анализ полученных данным методом микрофотографий указывает на изменение формы липосом с квази-сферической на эллипсоидальную.

Теоретические расчеты на основе аналогии с электростатической моделью, а также численное решение уравнения Лапласа для сферического слоя феррожидкости во внешнем магнитном поле, указывают, что форма вытянутого вдоль направления напряженности внешнего магнитного поля эллипсоида является наиболее энергетически выгодной. Нанокомпозитные магнитные липосомы меняют свою форму со сферической на элипсоидальную под действием внешнего магнитного поля, мембраны таких везикул деформируются, что приводит к возрастанию их проницаемости для молекул красителя.

Обнаруженные нами эффекты открывают возможность создания новых биомиметических биосовместимых коллоидных систем капсулирования лекарственных препаратов, обладающих возможностью управляемого нетермического высвобождения капсулируемых веществ с использованием внешних физических воздействий.

1. Khomutov G.B., Kim V.P., Koksharov Yu.A., Potapenkov K.V., Parshintsev A.A., Soldatov E.S., Usmanov N.N., Saletsky A.M., Sybachin A.V., Yaroslavov A.A., Taranov I.V., Cherepenin V.A., Gulyaev Y.V., Nanocomposite biomimetic vesicles based on interfacial complexes of polyelectrolytes and colloid magnetic nanoparticles, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 532 (2017) P. 26–35.

An important and actual area of research in biophysics and a number of related fields of science, is solving a problem of a radical increase in the effectiveness of drug therapy for oncological and a number of other diseases is creation of biocompatible means of encapsulation, targeted delivery and controlled release of biologically active substances (including drugs) directly to target areas of the body. Despite the ever-increasing number of scientific groups around the world actively working in this direction, a search of effective approaches of solving this problem is far from over.

We have developed new biocompatible colloidal carriers for the controlled delivery of biologically active substances in aqueous mediums including biological fluids. They were based on biomimetic vesicles - phosphatidylcholine liposomes functionalized with inorganic nanoparticles. For functionalization of liposomes, magnetite nanoparticles or gold nanoparticles were used, which ensured the susceptibility of drug carriers to external controlling physical influences. Functional inorganic nanoparticles were localized directly in the hydrophobic region of the bilayer lipid membrane. The ability to use this key feature of the described carrier vesicles was provided by preliminary hydrophobization of nanoparticles.

The resulting nanocomposite carrier vesicles were loaded with model substances such as an anticancer antibiotic doxorubicin and a fluorescent dye carboxyfluorescein. A possibility to release these encapsulated model substances from vesicles can be quantified by using their fluorescence, which has a characteristic effect of concentration quenching.

We studied an effect of external pulsed electric fields on nanocomposite vesicles with hydrophobized gold nanoparticles in the membrane loaded with doxorubicin. For this purpose, solution samples containing vesicles were subjected to electric field pulses with a strength of about 2.25*106 V/m and a duration of about 10 ns. Before and after exposure, the fluorescence intensity of doxorubicin was measured, and based on a relative change in fluorescence intensity, a degree of destruction of liposomes and changes in their penetration into encapsulated molecules were estimated.

The experimental data obtained in this way indicates a release of encapsulated doxorubicin from nanocomposite vesicles as a result of pulsed electrical action. Transmission electron microscopy was used as an additional method confirming the destruction of vesicles in solution.

The effect of destruction of nanocomposite vesicles under influence of external electric field pulses is explained by a significant increase in an electric field strength near nanoparticles conducting gold as a result of their polarization in an external electric field. This can lead to local breakdown of liposomal membranes near the particles and destruction of the liposome with a release of encapsulated substances.

Magnetite has semiconducting properties, which ensures that vesicles functionalized with magnetite nanoparticles are susceptible to external electric fields, as is the case with gold nanoparticles. However, we are mostly interested in an effect of external fields'influence on vesicles with magnetite nanoparticles localized directly in the membrane. Liposome membranes with magnetite nanoparticles localized in the hydrophobic region can be considered as a magnetoelastic.

We studied an effect of external magnetic fields on liposomes containing hydrophobized magnetite nanoparticles in their membranes; carboxyfluorescein dye was used as a model substance loaded inside. The solution containing nanocomposite vesicles was kept in a constant magnetic field of 1.9 kOe for an hour. Before and after exposure a fluorescence intensity of the sample was measured.

A change in the fluorescence intensity of carboxyfluorescein indicates the release of a dye from the carrier vesicles into the solution under the influence of an external magnetic field. As in the case of electric field experiments, the vesicles exposed to the magnetic field were further characterized by TEM. Analysis of micrographs obtained by this method indicates a change in the shape of liposomes from quasi-spherical to ellipsoidal.

Theoretical calculations based on the analogy with an electrostatic model, as well as the numerical solution of the Laplace equation for a spherical ferrofluid layer in an external magnetic field, indicate that the shape of an ellipsoid extended along the direction of the external magnetic field strength is the most energetically favorable. Nanocomposite magnetic liposomes change their shape from spherical to ellipsoidal under the influence of an external magnetic field, the membranes of such vesicles are deformed, which leads to an increase in their permeability to dye molecules.

The effects we have discovered give us a possibility of creating new biomimetic biocompatible colloidal systems for encapsulating drugs that have a capabilities of controlled non-thermal release of encapsulated substances by using external physical influences.

1. Khomutov G.B., Kim V.P., Koksharov Yu.A., Potapenkov K.V., Parshintsev A.A., Soldatov E.S., Usmanov N.N., Saletsky A.M., Sybachin A.V., Yaroslavov A.A., Taranov I.V., Cherepenin V.A., Gulyaev Y.V., Nanocomposite biomimetic vesicles based on interfacial complexes of polyelectrolytes and colloid magnetic nanoparticles, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 532 (2017) P. 26–35.