Более шестидесяти лет назад Л.А. Блюменфельдом с сотрудниками впервые в мире были получены экспериментальные данные, указывающие на присутствие ферромагнитных или суперпарамагнитных наночастиц оксидов железа в культурах одноклеточных организмов и в препаратах ДНК (так называемые широкие линии сигнала ЭПР) [1]. К настоящему времени биогенные магнитные структуры на основе оксида железа (в основном квази-линейные цепочечные ансамбли магнитных однодоменных наночастиц оксида железа) уже найдены в самых разных живых организмах от бактерий и растений до насекомых, рыб, птиц и животных включая человека. Такие структуры могут играть важную физиологическую роль (обеспечивают ориентацию соответствующих организмов в магнитном поле Земли) и образуются в результате процессов биоминерализации, или могут являться продуктом и, соответственно, биомаркером определенных патологий (например, у человека присутствие магнитных оксидов железа коррелируют с нейродегенеративными заболеваниями). Нано-фазное металлическое золото также может генерироваться живыми системами (например, бактериями) и образуется в ходе окислительно-восстановительных процессов как результат биогенного восстановления ионов Au(III) водной фазы.

В настоящее время магнитные и золотые наночастицы, а также функциональные наносистемы на их основе являются основными и наиболее важными объектами исследований в ряде фундаментальных и прикладных областей науки включая нано-инженерию и практическую биофизику [2]. Ввиду определенной «биогенности» и соответствующей малотоксичности именно наночастицы магнитных оксидов железа и наночастицы металлического золота представляют наибольший интерес для современных и перспективных био-медицинских применений, включающих высокоэффективные средства диагностики и новые технологии лекарственной терапии на основе управляемого пространственно-временного сопряжения процессов доставки и активации лекарственных препаратов в локальных целевых областях организма [3].

В данном сообщении представлен подход к решению проблемы управляемой адресной доставки лекарственных препаратов в живых системах, основанный на принципах биомиметики и предполагающий использование максимально биосовместимых и нетоксичных функциональных материалов, встречающихся в живых системах (липидов и биогенных амфифильных молекул, полимеров, наночастиц магнитных оксидов железа и металлического золота) для создания новых биосовместимых коллоидных систем, чувствительных к внешним управляющим физическим и/или химическим воздействиям, для капсулирования средств диагностики, лекарственных препаратов и других биологически-активных веществ с целью их направленной адресной доставки в определенную целевую область организма, а также для их управляемого высвобождения в целевой области в нужное время и в нужном количестве. Разрабатываемые коллоидные носители лекарств представляют собой биомиметические биосовместимые липосомальные и полимерные конструкции. Преимущества использования липосом в качестве основы для создания средств капсулирования связаны с их биомиметической структурой и биосовместимостью, а также с универсальностью, обусловленной возможностью капсулировать в липосомах вещества самой разной природы – низкомолекулярные и высокомолекулярные, гидрофильные, гидрофобные и амфифильные соединения. [4, 5]. Использование биосовместимых и биодеградируемых полимеров открывает дополнительные возможности создания и модификации носителей лекарственных препаратов.

Важной и актуальной в настоящее время остается задача разработки эффективных и безопасных методов управления структурно-функциональными характеристиками коллоидных средств капсулирования посредством внешних физических и/или химических воздействий для обеспечения управляемого высвобождения капсулированных веществ в целевой области организма в нужное время и в нужном количестве. В нашем подходе в качестве максимально безопасных внешних управляющих физических воздействий, обеспечивающих избирательное дистанционное управление проницаемостью нанокомпозитных липидных везикул, используются нетермические воздействия ультракоротких электрических импульсов, обеспечивающих эффект избирательной электропорации липидных мембран, содержащих поляризующиеся во внешнем электрическом поле электропроводящие наночастицы, а также внешние магнитные поля, обусловливающие эффекты управления пространственной локализацией магнитных коллоидных носителей лекарств и магнитной деформации таких нанокомпозитных материалов [5]. Особый интерес представляют комбинированные внешние воздействия, при которых возможны эффекты синергизма и увеличение суммарной эффективности управления локализацией и состоянием коллоидных носителей лекарств.



1. Цапин А.И., Самойлова О.П., Блюменфельд Л.А. Закономерности изменения магнитных характеристик клеток дрожжей Saccharomyces cereisiae на различных стадиях роста культуры, Биофизика, 1989, Т.34. №4. с.630-634.

2. Giersig M., Khomutov G.B., (Editors.), Nanomaterials for application in medicine and biology, Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2008, 188p.

3.Кокшаров Ю.А., Губин С.П., Таранов И.В., Хомутов Г.Б., Гуляев Ю.В., Магнитные наночастицы в медицине: успехи, проблемы, достижения, Радиотехника и электроника, 2022, Т.67, №2, с.99-116.

4. 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, 2017, V.532, p.26–35.

5. Гуляев Ю.В., Черепенин В.А., Таранов И.В., Вдовин В.А., Хомутов Г.Б., Активация нанокомпозитных липосомальных капсул в проводящей водной среде ультракоротким электрическим воздействием, 2021, Т.66, №1, с.82-90.

More than sixty years ago, L.A. Blumenfeld et al. were the first in the world to obtain experimental data indicating the presence of ferromagnetic or superparamagnetic iron oxide nanoparticles in cultures of unicellular organisms and in DNA preparations (the so-called broad lines of the EPR signal) [1]. To date, biogenic magnetic structures based on iron oxide (mainly quasi-linear chain ensembles of magnetic single-domain iron oxide nanoparticles) have already been found in a wide variety of living organisms from bacteria and plants to insects, fish, birds and animals, including humans. Such structures can play an important physiological role (provide the orientation of the corresponding organisms in the Earth’s magnetic field) and are formed as a result of biomineralization processes, or they can be a product and, accordingly, a biomarker of certain pathologies (for example, in humans, the presence of magnetic iron oxides correlates with neurodegenerative diseases). Nanophase metallic gold can also be generated by living systems (for example, bacteria) and is formed in the course of redox processes as a result of the biogenic reduction of Au(III) ions in the aqueous phase.

Currently, magnetic and gold nanoparticles, as well as functional nanosystems based on them, are the main and most important objects of research in a number of fundamental and applied fields of science, including nanoengineering and practical biophysics [2]. In view of a certain “biogenicity” and the corresponding low toxicity, it is magnetic iron oxide nanoparticles and metallic gold nanoparticles that are of the greatest interest for modern and promising biomedical applications, including highly effective diagnostic tools and new drug therapy technologies based on controlled spatiotemporal conjugation of drug delivery and activation processes. drugs in local target areas of the body [3].

This report presents an approach to solving the problem of controlled targeted delivery of drugs in living systems, based on the principles of biomimetics and involving the use of the most biocompatible and non-toxic functional materials found in living systems (lipids and biogenic amphiphilic molecules, polymers, nanoparticles of magnetic oxides of iron and metal gold) to create new biocompatible colloidal systems that are sensitive to external controlling physical and/or chemical influences, to encapsulate diagnostic tools, drugs and other biologically active substances for the purpose of their targeted targeted delivery to a specific target area of the body, as well as for their controlled release in the target area at the right time and in the right amount. The colloidal drug carriers being developed are biomimetic biocompatible liposomal and polymer constructs. The advantages of using liposomes as a basis for creating encapsulation agents are associated with their biomimetic structure and biocompatibility, as well as with the versatility due to the ability to encapsulate substances of a very different nature in liposomes - low and high molecular weight, hydrophilic, hydrophobic and amphiphilic compounds. [4, 5]. The use of biocompatible and biodegradable polymers opens up additional possibilities for creating and modifying drug carriers.

An important and relevant task at present remains the development of effective and safe methods for controlling the structural and functional characteristics of colloidal encapsulation agents through external physical and / or chemical influences to ensure controlled release of encapsulated substances in the target area of the body at the right time and in the right amount. In our approach, as the safest external control physical actions that provide selective remote control of the permeability of nanocomposite lipid vesicles, non-thermal effects of ultrashort electrical pulses are used, which provide the effect of selective electroporation of lipid membranes containing electrically conductive nanoparticles polarized in an external electric field, as well as external magnetic fields, causing the effects of controlling the spatial localization of magnetic colloidal drug carriers and magnetic deformation of such nanocomposite materials [5]. Of particular interest are combined external influences, in which synergistic effects and an increase in the overall efficiency of controlling the localization and state of colloidal drug carriers are possible.

1. Tsapin A.I., Samoilova O.P., Blumenfeld L.A. Patterns of changes in the magnetic characteristics of yeast Saccharomyces cereisiae cells at different stages of culture growth, Biophysics, 1989, V.34. No. 4. pp.630-634.

2. Giersig M., Khomutov G.B., (Editors.), Nanomaterials for application in medicine and biology, Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2008, 188p.

3. Koksharov Yu.A., Gubin S.P., Taranov I.V., Khomutov G.B., Gulyaev Yu.V., Magnetic nanoparticles in medicine: progress, problems, achievements, Radio engineering and electronics, 2022, T .67, No. 2, pp. 99-116.

4. 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 interstitial biomimetic favescials based onicles complexes of polyelectrolytes and colloid magnetic nanoparticles, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2017, V.532, p.26–35.

5. Gulyaev Yu.V., Cherepenin V.A., Taranov I.V., Vdovin V.A., Khomutov G.B., Activation of nanocomposite liposomal capsules in a conductive aqueous medium by ultrashort electric exposure, 2021, V.66, No. 1, pp. 82-90.