Конъюгат наночастиц и биомолекулы - Википедия - Nanoparticle–biomolecule conjugate

Прикрепления к наночастицам делают их более биосовместимыми.

А конъюгат наночастица-биомолекула это наночастица с биомолекулы прикреплен к его поверхности. Наночастицы - это крошечные частицы, обычно измеряемые в нанометры (нм), которые используются в нанобиотехнология изучить функции биомолекул. Свойства сверхмелкозернистых частиц в большей степени характеризуют компоненты на их поверхности, чем более крупные структуры, такие как ячейки, из-за большого отношения площади поверхности к объему. Большое отношение площади поверхности к объему наночастиц оптимизирует потенциал для взаимодействия с биомолекулами.

Характеристика

Основные характеристики наночастиц включают объем, структуру и визуальные свойства, которые делают их ценными для нанобиотехнологии. В зависимости от конкретных свойств размера, структуры и люминесценции наночастицы могут использоваться для различных приложений. Методы визуализации используются для определения таких свойств и получения дополнительной информации об исследуемом образце. Методы, используемые для характеристики наночастиц, также полезны при изучении того, как наночастицы взаимодействуют с биомолекулами, такими как аминокислоты или же ДНК, и включать магнитно-резонансная томография (МРТ), обозначаемый растворимостью наночастиц в воде и флуоресцентным. МРТ может применяться в медицине для визуализации структур; атомно-силовая микроскопия (AFM), который дает топографический вид образца на подложке;[1] просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), который дает вид сверху, но с использованием другой техники, чем атомно-силовая микроскопия;[2] Рамановская спектроскопия или же Рамановская спектроскопия с усилением поверхности (SERS) дает информацию о длинах волн и энергии в образце.[3] ультрафиолетовая и видимая спектроскопия (UV-Vis) измеряет длины волн, на которых поглощается свет;[4] дифракция рентгеновских лучей (XRD) обычно дает представление о химическом составе образца.[5]

Химия

Основная статья: Наночастицы

Физический

Наномолекулы можно создать практически из любого элемента, но большинство из них, производимые в современной промышленности, используют углерод как основа, на которой построены молекулы. Углерод может связываться практически с любым элементом, открывая множество возможностей, когда дело доходит до создания конкретной молекулы. Ученые могут создать тысячи и тысячи отдельных наномолекул из простой углеродной основы. Некоторые из самых известных наномолекул, существующих в настоящее время, состоят исключительно из углерода; к ним относятся углеродные нанотрубки и бакминстерфуллерены. В отличие от наномолекул, химические компоненты наночастиц обычно состоят из металлов, таких как железо, золото, серебро и платина.[6]

Взаимодействия между наночастицами и молекулами меняются в зависимости от ядра наночастицы. Свойства наночастиц зависят не только от состава материала ядра, но и от различной толщины используемого материала. Магнитные свойства особенно полезны при манипуляциях с молекулами, и поэтому металлы часто используются в качестве материала ядра.[7] Металлам присущи магнитные свойства, которые позволяют манипулировать сборкой молекул. Поскольку наночастицы взаимодействуют с молекулами через свойства лиганда, сборку молекул можно контролировать с помощью внешних магнитных полей, взаимодействующих с магнитными свойствами наночастиц. Существенные проблемы с производством наночастиц первоначально возникают, когда эти наночастицы образуются в растворе. Без использования стабилизирующий агента, наночастицы имеют тенденцию слипаться после прекращения перемешивания. Чтобы противодействовать этому, обычно добавляют определенный стабилизатор столкновения. Эти стабилизаторы связываются с наночастицами таким образом, что не позволяют другим частицам связываться с ними. К некоторым эффективным стабилизаторам, найденным на данный момент, относятся: цитрат, целлюлоза, и борогидрид натрия.[8]

Прикладная химия

Наночастицы желательны в современной промышленности из-за их высокого отношения площади поверхности к объему по сравнению с более крупными частицами тех же элементов. Поскольку химические реакции происходят со скоростью, прямо пропорциональной доступной площади поверхности реагирующих соединений, наночастицы могут генерировать реакции с гораздо большей скоростью, чем более крупные частицы равной массы. Таким образом, наночастицы являются одними из самых эффективных средств проведения реакций и по своей природе ценны в химической промышленности. Это же свойство делает их ценными при взаимодействии с молекулами.[9]

Приложения с биомолекулами и биологическими процессами

Наночастицы могут сильно влиять на биологические процессы.[10][11] Эффективность наночастиц возрастает по мере увеличения отношения площади поверхности к объему. Вложения лиганды к поверхности наночастиц позволяют им взаимодействовать с биомолекулами.

Идентификация биомолекул

Наночастицы - ценные инструменты для идентификации биомолекул с помощью био-меток или маркировки. Присоединение лигандов или молекулярных покрытий к поверхности наночастиц облегчает взаимодействие наночастиц с молекулами и делает их биосовместимыми. Спряжение может быть достигнуто за счет межмолекулярное притяжение между наночастицей и биомолекулой, такой как ковалентная связь, хемосорбция, и нековалентный взаимодействия.

Для улучшения визуализации наночастицы также можно заставить флуоресцировать, контролируя размер и форму зонда наночастиц. Флуоресценция увеличивает люминесценцию за счет увеличения диапазона длин волн, который может достигать излучаемый свет, что позволяет использовать биомаркеры с различными цветами.[7] Этот метод используется для отслеживания эффективности переноса белка как in vivo, так и in vitro с точки зрения генетических изменений.

Контроль биологических процессов

Биологические процессы можно контролировать с помощью регулирование транскрипции, генная регуляция, и ингибирование ферментов процессы, которые можно регулировать с помощью наночастиц.[12] Наночастицы могут играть роль в регуляции генов посредством ионной связи между положительно заряженными катионными лигандами на поверхности наночастиц и отрицательно заряженными анионными нуклеиновыми кислотами, присутствующими в ДНК. В эксперименте комплекс наночастиц-ДНК ингибировал транскрипцию РНК-полимеразой Т7, что указывает на сильную связь в комплексе.[13] Высокое сродство комплекса наночастица-ДНК указывает на сильную связь и благоприятное использование наночастиц. Присоединение ионных лигандов к наночастицам позволяет контролировать активность фермента. Пример ингибирования фермента дается связыванием α-химотрипсина (ChT), фермента с в основном катионным активным центром. Когда α-химотрипсин инкубируется с анионными (отрицательно заряженными) наночастицами, активность ХТ ингибируется, поскольку анионные наночастицы связываются с активным центром. Активность фермента можно восстановить добавлением катионных поверхностно-активных веществ. Алкильные поверхностно-активные вещества образуют двойной слой вокруг ChT, тогда как поверхностно-активные вещества на основе тиола и спирта изменяют поверхность ChT так, что взаимодействие с наночастицами прерывается. Хотя образование комплекса белок-наночастица может подавлять активность фермента, исследования показывают, что он также может стабилизировать структуру белка и значительно защитить белок от денатуризации.[13] Экспериментальный и теоретический анализ также показал, что наночастицы могут подавлять неблагоприятные латеральные взаимодействия между адсорбированными белками, тем самым приводя к значительному повышению их стабильности в денатурирующих условиях.[14][15] Присоединения лигандов к сегментам наночастиц, выбранных для функционализации металлических свойств, можно использовать для создания магнитной нанопроволоки, которая генерирует магнитное поле, которое позволяет манипулировать клеточными ансамблями.[7]

Генетическое изменение

Наночастицы также можно использовать в сочетании с ДНК для выполнения генетических изменений. Их часто контролируют с помощью флуоресцентных материалов, что позволяет ученым судить об успешной передаче этих меченых белков - например, зеленый флуоресцентный белок, или GFP. Наночастицы значительно меньше цитотоксический чем используемые в настоящее время органические методы, обеспечивая более эффективный метод мониторинга генетических изменений. Они также не разрушаются и не обесцвечиваются со временем, как органические красители. Суспензии наночастиц одинакового размера и формы (монодисперсные) с функциональными группами, прикрепленными к их поверхностям, также могут электростатически связываться с ДНК, защищая их от нескольких типов деградации. Поскольку флуоресценция этих наночастиц не ухудшается, клеточную локализацию можно отслеживать без использования дополнительных меток, с помощью GFP или других методов. «Распаковку» ДНК можно обнаружить в живых клетках с помощью технологии резонансного переноса энергии люминесценции (LRET).[16]

Медицинские последствия

Маленькие молекулы in vivo имеют короткое время удерживания, но использование более крупных наночастиц - нет. Эти наночастицы можно использовать для предотвращения иммунного ответа, который помогает в лечении хронические болезни. Он был исследован как потенциальное средство против рака, а также может повлиять на понимание генетических нарушений.[17] Наночастицы также могут помочь в локализации доставки лекарств за счет увеличения количества немодифицированного лекарства, циркулирующего в системе, что также снижает необходимую частоту дозирования.[18] Нацеленность наночастиц также означает, что нецелевые органы гораздо реже испытывают побочные эффекты от лекарств, предназначенных для других областей.

Изучение клеточного взаимодействия

Клеточные взаимодействия происходят на микроскопическом уровне, и их нелегко наблюдать даже с помощью современных микроскопов, доступных сегодня. Из-за трудностей, связанных с наблюдением за реакциями на молекулярном уровне, используются косвенные методы, что значительно ограничивает объем понимания, которое может быть получено путем изучения этих жизненно важных процессов. Достижения в индустрии материалов привели к развитию новой области, известной как нанобиотехнология, в которой наночастицы используются для изучения взаимодействий на биомолекулярном уровне.[19]

Одно из направлений исследований нанобиотехнологий - это внеклеточные матрицы ячеек (ECM). ЕСМ в основном состоит из переплетенных волокон коллаген и эластин диаметром от 10 до 300 нм.[19] Помимо удержания ячейки на месте, ECM выполняет множество других функций, включая обеспечение точки подключения для ECM других ячеек и трансмембранные рецепторы которые необходимы для жизни. До недавнего времени было почти невозможно изучить физические силы, которые помогают клеткам сохранять свою функциональность, но нанобиотехнология дала нам возможность узнать больше об этих взаимодействиях. Используя уникальные свойства наночастиц, можно контролировать, как наночастицы придерживаются определенных шаблонов, присутствующих в ECM, и в результате можно понять, как изменения в форме ECM могут влиять на функциональность клеток.[19]

Использование нанобиотехнологии для изучения ЕСМ позволяет ученым исследовать связывающие взаимодействия, которые происходят между ЕСМ и его поддерживающей средой. Исследователи смогли изучить эти взаимодействия, используя такие инструменты, как оптический пинцет, которые могут захватывать наноразмерные объекты сфокусированным светом. Пинцет может влиять на связывание субстрата с ECM, пытаясь отвести субстрат от него. Свет, излучаемый пинцетом, использовался для сдерживания ECM-покрытия микрошарики, и изменения силы, оказываемой ECM на подложку, были изучены путем модуляции воздействия оптического пинцета. Эксперименты показали, что сила, оказываемая ЕСМ на субстрат, положительно коррелировала с силой пинцета, что привело к последующему открытию, что ЕСМ и трансмембранные белки способны воспринимать внешние силы и могут адаптироваться, чтобы преодолевать эти силы.[19]

Нанотехнологии преодолевают гематоэнцефалический барьер

В гематоэнцефалический барьер (BBB) ​​состоит из системы капилляров, которые имеют особенно плотную выстилку из эндотелиальные клетки который защищает Центральная нервная система (CNS) против распространение посторонних веществ в спинномозговая жидкость.[20] К таким вредным объектам относятся микроскопические бактерии, крупные гидрофобный молекулы, определенные гормоны и нейротрансмиттеры, и низкий-липид -растворимые молекулы. BBB предотвращает попадание этих вредных частиц в мозг через узкие стыки между эндотелиальными клетками и метаболический барьеры. Тщательность, с которой ГЭБ выполняет свою работу, затрудняет лечение таких заболеваний головного мозга, как рак, Болезнь Альцгеймера, и аутизм, потому что перевозить наркотики через ГЭБ очень сложно. В настоящее время для доставки терапевтических молекул в мозг врачи должны использовать высокоинвазивные методы, такие как просверливание непосредственно в мозг или нарушение целостности ГЭБ с помощью биохимических средств.[21] Благодаря небольшому размеру и большой площади поверхности наночастицы представляют собой многообещающее решение для нейротерапии.

Нанотехнологии помогают доставлять лекарства и другие молекулы через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Наночастицы позволяют лекарствам или другим чужеродным молекулам эффективно пересекать ГЭБ, маскируя себя и обманывая мозг, давая им возможность пересекать ГЭБ в процессе, называемом методом троянского коня.[21] Использование нанотехнологии выгодно, потому что необходим только сконструированный комплекс, тогда как в обычных применениях активное соединение должно проводить реакцию. Это обеспечивает максимальную эффективность активного препарата. Кроме того, использование наночастиц приводит к притяжению белков к поверхностям клеток, что придает клеточным мембранам биологическую идентичность. Они также используют эндогенные активный транспорт куда трансферрин белок, связывающий железо, связан с стержневидным полупроводником. нанокристаллы, чтобы пройти через ГЭБ в мозг.[22] Это открытие является многообещающим шагом на пути создания эффективной системы доставки лекарств на основе наночастиц.

Рекомендации

  1. ^ Хинтердорфер, Дюфрен, "Обнаружение и локализация одиночных событий молекулярного распознавания с использованием атомно-силовой микроскопии", Nature Methods. 3. (2006): 347-355. DOI 10.1038 / nmeth871 "[1] "
  2. ^ Ван, "Просвечивающая электронная микроскопия нанокристаллов с контролируемой формой и их сборок", Journal of Physical Chemistry B. 104. (2000): 1153-1175. DOI 10.1021 / jp993593c "[2] "
  3. ^ Чоудхури, "Использование поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS) для биомедицинских приложений", Dissertations Abstracts International. 67. (2005): 219. "[3] "
  4. ^ Буропулос; и другие. (2008). «Квантовые точки ZnO контролируемого размера, полученные полиольным методом: экспериментальное и теоретическое исследование». Письма о материалах. 62 (20): 3533–3535. Дои:10.1016 / j.matlet.2008.03.044.
  5. ^ Ли, Фэй; и другие. (2008). «Структурные и люминесцентные свойства наностержней ZnO и нанокомпозитов ZnO / ZnS». Журнал сплавов и соединений. 474 (1–2): 531–535. Дои:10.1016 / j.jallcom.2008.06.149.
  6. ^ Алеш Панак, Либор Квитек, Роберт Пручек, Милан Коларж, Рената Вейржова, Надежда Пизурова, Вирендер К. Шарма, Татьяна Невена и Радек Зборжил «Коллоидные наночастицы серебра: синтез, характеристика и их антибактериальная активность» 31 марта 2011 г.[4] "DOI 10.1021
  7. ^ а б c Салата, О.В. (30 апреля 2004 г.). «Применение наночастиц в биологии и медицине». Журнал нанобиотехнологий. 2 (1): 3. Дои:10.1186/1477-3155-2-3. ЧВК  419715. PMID  15119954.
  8. ^ «Метод Туркевича для синтеза наночастиц золота». п. стр. Интернет. 24 марта 2011 г. "[5] "DOI: 10.1021 / jp061667w
  9. ^ Холистер, Винер, Вас и Харпер. «Наночастицы». Интернет. 31 марта 2011 г. "[6] "
  10. ^ Асури, Прашант; Бэйл, Шьям Сундхар; Караджанаги, Сандип С .; Кейн, Рави С. (декабрь 2006 г.). «Интерфейс белок-наноматериал». Текущее мнение в области биотехнологии. 17 (6): 562–568. Дои:10.1016 / j.copbio.2006.09.002. ISSN  0958-1669. PMID  17015011.
  11. ^ Kane, Ravi S .; Строок, Абрахам Д. (2007). «Нанобиотехнология: взаимодействие белков и наноматериалов». Прогресс биотехнологии. 23 (2): 316–319. Дои:10.1021 / bp060388n. ISSN  1520-6033. PMID  17335286.
  12. ^ Ротелло, Винсент (2004). Строительные блоки из наночастиц для нанотехнологий. Нью-Йорк: Springer Science + Business Media Inc. ISBN  978-0306482878.
  13. ^ а б Де, Гош; Ротелло (2008). «Применение наночастиц в биологии». Современные материалы. 20 (22): 4225–4241. Дои:10.1002 / adma.200703183.
  14. ^ Асури, Прашант; Караджанаги, Сандип С .; Ян, Хойчан; Йим, Таэ-Джин; Kane, Ravi S .; Дордик, Джонатан С. (01.06.2006). «Повышение стабильности белка посредством контроля наномасштабной среды». Langmuir. 22 (13): 5833–5836. Дои:10.1021 / la0528450. ISSN  0743-7463. PMID  16768515.
  15. ^ Асури, Прашант; Караджанаги, Сандип С .; Вертегель, Алексей А .; Дордик, Джонатан С .; Кейн, Рави С. (апрель 2007 г.). «Повышенная стабильность ферментов, адсорбированных на наночастицах». Журнал нанонауки и нанотехнологий. 7 (4–5): 1675–1678. Дои:10.1166 / jnn.2007.453. ISSN  1533-4880. PMID  17450942.
  16. ^ Huichen Guo, Niagara M. Idris, Yong Zhang, «Биодетекция высвобождения ДНК в живых клетках на основе LRET с использованием модифицированных поверхностью преобразующих флуоресцентных наночастиц», 2011 г.
  17. ^ Прабха, Сваям и Лабхасетвар, Винод, Опосредованная наночастицами доставка гена р53 дикого типа приводит к устойчивой антипролиферативной активности в клетках рака молочной железы, 2004.
  18. ^ Гвинн М.Р., Валлиатан В., Наночастицы: влияние на здоровье - за и против, 2006.
  19. ^ а б c d Сниадецкий, Натан; Рави Десаи; Сами Руис; Кристофер Чен (1 января 2006 г.). «Нанотехнологии взаимодействия клетки с субстратом». Анналы биомедицинской инженерии. 34 (1): 59–74. Дои:10.1007 / s10439-005-9006-3. PMID  16525764. S2CID  3055496. Получено 2011-04-29.
  20. ^ Рагнейл, Мишель Ник; Браун, Мередит; Е, Донг; Брамини, Маттиа; Калланан, Шон; Линч, Изольда; Доусон, Кеннет А. (2011). «Внутренний бенчмаркинг модели клеток гематоэнцефалического барьера человека для скрининга поглощения наночастиц и трансцитоза». Европейский журнал фармацевтики и биофармацевтики. 77 (3): 360–367. Дои:10.1016 / j.ejpb.2010.12.024. PMID  21236340.
  21. ^ а б Бергер, Майкл. «Преодоление гематоэнцефалического барьера с помощью нанотехнологий». N.p., n.d. Интернет. http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=6269.php
  22. ^ Сильва, Габриэль А. (2008). «Нанотехнологические подходы к преодолению гематоэнцефалического барьера и доставке лекарств в ЦНС». BMC Neuroscience. 9 (Приложение 3): S4. Дои:10.1186 / 1471-2202-9-S3-S4. ЧВК  2604882. PMID  19091001.