Научные результаты:
Впервые получены биосовместимые магнитоэлектрические (МЭ) наночастицы (НЧ) «ядро-оболочка» на основе феррита марганца (MFO) и перовскита (BCZT) микроволновым гидротермальным методом. По сравнению с классическим гидротермальным методом применение микроволнового излучения позволяет значительно сократить время роста магнитных ядер и перовскитной оболочки на их поверхности. Установлено, что in-situ функционализация поверхности ядер MFO приводит к образованию ковалентной связи между атомами кислорода карбоксильных групп лимонной кислоты и атомами Fe и Mn феррита марганца. Выявлено эпитаксиальное формирование оболочки BCZT на поверхности ядер MFO. Наблюдается корреляция параметров кристаллической структуры для этих соединений: MFO ((220) – 3,08A, (400) – 2,12A) и BCZT ((110) – 2,99A, (204) – 2,14 A). Формирование оболочки BCZT толщиной 10-20 нм приводит к снижению намагниченности насыщения и увеличению коэрцитивной силы ядер MFO диаметром 43 нм с (41,40±1,20) эме/г до (6,10±0,20) эме/г и с (46±3) Э до (69±5) Э, соответственно. Достигнута эффективность разложения модельного загрязнителя RhB в 95 % под воздействием магнитного поля (150 мТл, 100 Гц) в течение 2,5 ч вследствие каталитической активности разработанных МЭ НЧ, добавленных в раствор при концентрации 4 мг/мл. Показано отсутствие цитотоксического действия МЭ НЧ при их концентрации до 6 мг/мл на стволовые клетки in vitro.
Магнитные наночастицы (МНЧ) MFO и MFO@BCZT, не оказывают цитотоксического действия на нормальные фибробласты человека. Наночастицы MFO индуцируют апоптоз в опухолевых клетках и подавляют их жизнеспособность. В то же время МНЧ структуры ядро-оболочка MFO@BCZT подавляют метаболическую активность, но не вызывают гибели клеток по механизму некроза или апоптоза.
Результаты исследования взаимодействия с клетками магнитных и магнитоэлектрических наночастиц на основе феррита марганца, скэффолдов на основе биодеградируемых PLLA и не биодеградируемых PVDF-TrFE полимеров показали, что полученные магнитоактивные наноматериалы демонстрируют высокую биосовместимость в отношении нормальных клеток человека и позволяют осуществлять управление функциональной активностью клеток при наложении внешнего магнитного поля. Показанная в результате исследования возможность при наложении внешних магнитных полей влиять на пролиферацию и дифференцировку клеток человека, адсорбированных на поверхности магнитных матриксов, обуславливает высокие перспективы использования данных материалов для решения важнейших задач в области регенеративной медицины. Наблюдаемая для магнитоэлектрических наночастиц со структурой ядро-оболочка, с покрытием BCZT, избирательность цитотоксического действия в отношении раковых клеток в сочетании с установленным фактом наличия рабочего диапазона дальнодействия эффекта постоянного магнитного поля позволит предложить перспективные решения для персонализации противораковой терапии.
Показано, что в сравнении с магнитными НЧ приложение ПМП (7-50 мТл) приводит к снижению жизнеспособности раковых клеток, инкубируемых с МЭ НЧ, что обусловлено наличием у них МЭ свойств. ПМП (100 мТл) приводит к усилению цитотоксического действия исследованных МЭ наночастиц. Установлено, что инкубация с магнитными и МЭ НЧ приводит к повышению содержания АФК в клетках MDA-MB231 и U87 в течение 8 ч. Показано, что формирование внутриклеточных АФК в клетках U87 не усиливается при приложении ПМП в присутствии магнитных наночастиц, тогда как МЭ наночастицы в сочетании с приложением ПМП (100 мТл, 100 Гц) увеличивают выработку АФК в клетках линии U87. При этом установлено, что длительное хранение наночастиц (в растворе и в виде порошков) может негативно сказывается на их биологических свойствах вследствие ухудшения их стабильности. В связи с этим для проведения биологических экспериментов рекомендуется использовать свежеприготовленные наночастицы.
Установлено влияние переменного магнитного поля при исследовании наночастиц со структурой ядро-оболочка MFO@BCZT на рост клеток in vitro. Вместе с низкой токсичностью MFO@BCZT это позволило использовать данные частицы в экспериментах на нейронах ex vivo и in vivo. Ex vivo на прижизненных срезах гиппокампа удалось продемонстрировать специфическую относительно MFO способность MFO@BCZT воздействовать на функциональную активность клеток в присутствие переменного магнитного поля. Было также показано, что MFO@BCZT способны in vivo захватываться ольфакторными нейронами мыши и перемещаться из носовой полости в мозг преимущественно внутри нейронов, при этом сохраняя свою оболочку. Таким образом, существует возможность использовать MFO@BCZT in vivo для глубокой стимуляции мозга млекопитающих.
Моноциты и фибробласты человека адгезируют на волокнах магнитоактивных скэффолдов PLLA-Fe3O4 и PVDF-TrFE-Fe3O4, сохраняют нормальную морфологию и функциональную активность. На модели моноцитов периферической крови человека показана возможность их дифференцировки как в М1, так и в М2 макрофаги. Воздействие ПМП на моноцитарно-макрофагальные клетки, закрепившиеся на электроформованных пьезоэлектрических скэффолдах (поли-L-лактид, поливинилиденфторд, поли-3-оксибутират), приводит к активации их поляризации без добавления химических стимулов. В случае нормальных фибробластов человека их адгезия к скэффолдам влияет на биологические процессы, которые участвуют в регенерации тканей, а применение ПМП запускает ряд молекулярных событий посредством активации рецепторов, связанных с G–белком, и ионных каналов. Это указывает на возможность модулировать их поведение в организме и управлять ими в будущем с использованием МП. Полученные данные доказывают, что стимуляция ПМП является идеальным биосовместимым сигналом, с одной стороны, она благоприятна для дифференцировки столовых клеток и, с другой стороны, может быть успешно использована для дистанционного управления свойствами их микроокружения.
Обнаружено изменение экспрессии цитокинов в фибробластах, адгезированных на скэффолдах. Повышение экспрессии генов CXCL5 и CXCL8, продукты которых способствуют инфильтрации и активации нейтрофилов, указывает на то, что фибробласты в данном состоянии скорее благоприятствуют воспалению и препятствуют процессу регенерации. В свою очередь, воздействие ПМП приводит к дальнейшему увеличению экспрессии гена IL24, который координирует проангиогенную программу репарации и пролиферации для восстановления целостности тканей и гомеостаза, таким образом способствуя регенерации.
Транскриптомные данные показали, что адгезия нормальных фибробластов человека к скэффолдам активировала пути, связанные с важными биологическими процессами, такими как коагуляция и заживление ран, которые являются первыми реакциями в каскаде событий, восстанавливающих поврежденную ткань после травмы, а также ключевые сигнальные пути, регулирующие процесс регенерации, такие как Wnt, BMP и TGFβ. Воздействие ПМП на клетки на скэффолдах может запускать внеклеточные (через рецепторы, связанные с G-белком) и внутриклеточные (через активацию ионного канала кальция) сигнальные пути, полученные экспериментальные данные позволяют рассматривать гибридные магнитоактивный скэффолды в качестве перспективных материалов для решения задач регенеративной медицины.
Разработаны методики культивирования стволовых клеток на поверхности скэффолдов, а также образцов импрегнированных 20 масс. % наночастиц магнетита, покрытых лимонной кислотой. Разработаны методики стимуляции клеток с помощью магнитного поля. Разработана методика направленной нейральной дифференцировки и проведена первичная оценка степени дифференцировки клеток на поверхности скэффолдов в присутствии магнитного поля. Изучено влияние физических воздействий (магнитное поле) на жизнеспособность клеточной популяции на поверхности скэффолдов. Установлена биосовместимость гибридных скэффолдов в экспериментах in vitro на мультипотентных мезенхимальных стромальных клетках. Установлено влияние магнитного поля на пролиферативную и дифференцировочную активность мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток.
Внедрение результатов исследования:
Результаты исследований внедрены в образовательный процесс в рамках дисциплины «Материалы и покрытия биомедицинского назначения» для подготовки магистрантов по направлению подготовки 18.04.01 – Химические технологии.
Организационные и инфраструктурные преобразования:
Международный научно-исследовательский центр “Пьезо- и магнитоэлектрические материалы” является структурным подразделением исследовательской школы химических и биомедицинских технологий.
Образование и переподготовка кадров:
11 участников проекта прошли программы переподготовки кадров. В результате реализации проекта исполнителями было защищено 3 диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, а также 1 диссертация на соискание ученой степени доктора наук.
Сотрудничество:
- Уральский федеральный университет (г. Екатеринбург).
- Сибирский федеральный университет (г. Красноярск).
- Институт цитологии и генетики СО РАН (г. Новосибирск).
- Сибирский государственный медицинский университет (г. Томск).
- Московский государственный университет им М.В. Ломоносова (г. Москва).
- Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (г. Новосибирск).
