Конъюгат наночастицы и биомолекулы
Специальная макромолекула с ковалентно связанными биоактивными веществами, нацеленная на определенные ткани
Крепления на наночастицах делают их более биосовместимыми.

Конъюгат наночастицы и биомолекулы — это наночастица с прикрепленными к ее поверхности биомолекулами . Наночастицы — это мельчайшие частицы, обычно измеряемые в нанометрах (нм), которые используются в нанобиотехнологии для изучения функций биомолекул. Свойства сверхтонких частиц характеризуются компонентами на их поверхности в большей степени, чем более крупные структуры, такие как клетки, из-за больших соотношений площади поверхности к объему. Большие соотношения площади поверхности к объему наночастиц оптимизируют потенциал для взаимодействия с биомолекулами.

Характеристика

Основные характеристики наночастиц включают объем, структуру и визуальные свойства, которые делают их ценными в нанобиотехнологии. В зависимости от конкретных свойств размера, структуры и люминесценции наночастицы могут использоваться для различных приложений. Методы визуализации используются для определения таких свойств и предоставления дополнительной информации об исследуемом образце. Методы, используемые для характеристики наночастиц, также полезны при изучении того, как наночастицы взаимодействуют с биомолекулами, такими как аминокислоты или ДНК , и включают магнитно-резонансную томографию (МРТ), обозначаемую растворимостью наночастиц в воде и флуоресценцией. МРТ может применяться в медицинской области для визуализации структур; атомно-силовая микроскопия (АСМ), которая дает топографическое изображение образца на подложке; [1] просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), которая дает вид сверху, но с использованием другой техники, чем атомно-силовая микроскопия; [2] Рамановская спектроскопия или поверхностно-усиленная Рамановская спектроскопия (SERS) дает информацию о длинах волн и энергии в образце. [3] ультрафиолетово-видимая спектроскопия (УФ-Вид) измеряет длины волн, на которых поглощается свет; [4] рентгеновская дифракция (РДА) обычно дает представление о химическом составе образца. [5] Для количественной оценки присоединения белка к наночастицам используются такие анализы, как анализ бицинхониновой кислоты (БКА) и анализ Брэдфорда , которые обеспечивают измерение средней маркировки белка на наночастицу. [6]

Химия

Физический

Наномолекулы могут быть созданы практически из любого элемента, но большинство из производимых в современной промышленности используют углерод в качестве основы, на которой строятся молекулы. Углерод может связываться практически с любым элементом, что открывает множество возможностей при создании определенной молекулы. Ученые могут создавать 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. [7]

Взаимодействие между наночастицами и молекулами меняется 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 манипуляции молекулами, и поэтому металлы часто используются в качестве материала ядра. [8] Металлы обладают присущими им магнитными свойствами, которые позволяют манипулировать молекулярной сборкой. Поскольку наночастицы взаимодействуют с молекулами через свойства лиганда, молекулярную сборку можно контролировать внешними магнитными полями, взаимодействующими с магнитными свойствами в наночастицах. Значительные проблемы с получением наночастиц изначально возникают, как только эти наночастицы генерируются в растворе. Без использования стабилизирующего агента наночастицы имеют тенденцию слипаться после остановки перемешивания. Чтобы противодействовать этому, обычно добавляют определенный коллидный стабилизатор. Эти стабилизаторы связываются с наночастицами таким образом, что не позволяют другим частицам связываться с ними. Некоторые эффективные стабилизаторы, найденные на данный момент, включают цитрат , целлюлозу и боргидрид натрия . [9]

Применение химии

Наночастицы востребованы 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. Поэтому наночастицы являются одними из самых эффективных средств проведения реакций и по своей сути ценны в химической промышленности. Это же свойство делает их ценными во взаимодействиях с молекулами. [10]

Приложения с биомолекулами и биологическими процессами

Наночастицы обладают потенциалом значительного влияния на биологические процессы. [11] [12] Эффективность наночастицы увеличивается с увеличением отношения площади ее поверхности к объему. Присоединение лигандов к поверхности наночастиц позволяет им взаимодействовать с биомолекулами.

Идентификация биомолекул

Наночастицы являются ценными инструментами для идентификации биомолекул с помощью биометок или маркировки. Присоединение лигандов или молекулярных покрытий к поверхности наночастицы облегчает взаимодействие наночастицы с молекулой и делает их биосовместимыми. Конъюгация может быть достигнута посредством межмолекулярного притяжения между наночастицей и биомолекулой, такого как ковалентное связывание , хемосорбция и нековалентные взаимодействия.

Для улучшения визуализации наночастицы также можно заставить флуоресцировать, контролируя размер и форму зонда наночастиц. Флуоресценция увеличивает люминесценцию, увеличивая диапазон длин волн, которых может достичь испускаемый свет, что позволяет использовать биомаркеры с различными цветами. [8] Эта техника используется для отслеживания эффективности переноса белка как in vivo, так и in vitro с точки зрения генетических изменений.

Биологический контроль процессов

Биологические процессы можно контролировать с помощью регуляции транскрипции , регуляции генов и процессов ингибирования ферментов , которые можно регулировать с помощью наночастиц. [13] 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 наночастица-ДНК ингибировал транскрипцию РНК-полимеразой T7, что означает сильную связь в комплексе. [14] Высокое сродство комплекса наночастица-ДНК указывает на сильную связь и благоприятное использование наночастиц. Присоединение ионных лигандов к наночастицам позволяет контролировать активность ферментов. Примером ингибирования ферментов является связывание a-химотрипсина (ChT), фермента с преимущественно катионным активным центром. Когда a-химотрипсин инкубируется с анионными (отрицательно заряженными) наночастицами, активность ChT ингибируется, поскольку анионные наночастицы связываются с активным сайтом. Активность фермента может быть восстановлена ​​путем добавления катионных поверхностно-активных веществ. Алкильные поверхностно-активные вещества образуют бислой вокруг ChT, тогда как тиоловые и спиртовые поверхностно-активные вещества изменяют поверхность ChT таким образом, что взаимодействие с наночастицами прерывается. Хотя образование комплекса белок-наночастица может ингибировать активность фермента, исследования показывают, что он также может стабилизировать структуру белка и значительно защищать белок от денатурации. [14] Экспериментальные и теоретические анализы также показали, что наночастицы могут подавлять неблагоприятные латеральные взаимодействия между адсорбированными белками, тем самым приводя к значительному повышению их стабильности в денатурирующих условиях. [15] [16] Присоединение лигандов к сегментам наночастиц, выбранных для функционализации металлических свойств, может быть использовано для создания магнитной нанопроволоки, которая генерирует магнитное поле, позволяющее манипулировать клеточными сборками. [8]

Генетические изменения

Наночастицы также могут использоваться в сочетании с ДНК для выполнения генетических изменений. Они часто контролируются с помощью флуоресцентных материалов, что позволяет ученым судить, были ли эти меченые белки успешно переданы, например, зеленый флуоресцентный белок или GFP. Наночастицы значительно менее цитотоксичны , чем используемые в настоящее время органические методы, что обеспечивает более эффективный метод мониторинга генетических изменений. Они также не деградируют и не обесцвечиваются со временем, как органические красители. Суспензии наночастиц с одинаковым размером и формой (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 деградирует, клеточную локализацию можно отслеживать без использования дополнительной маркировки, с помощью GFP или других методов. «Распаковку» ДНК можно обнаружить в живых клетках с помощью технологии люминесцентного резонансного переноса энергии (LRET). [17]

Медицинские последствия

Малые молекулы in vivo имеют короткое время удержания, но использование более крупных наночастиц не имеет такого времени. Эти наночастицы могут использоваться для избежания иммунного ответа, что помогает в лечении хронических заболеваний . Он был исследован как потенциальная терапия рака, а также имеет потенциал повлиять на понимание генетических нарушений. [18] Наночастицы также имеют потенциал для помощи в доставке лекарств в определённые места за счёт улучшения количества немодифицированного препарата, циркулирующего в системе, что также снижает необходимую частоту дозировки. [19] Целевая природа наночастиц также означает, что нецелевые органы гораздо реже испытывают побочные эффекты лекарств, предназначенных для других областей.

Изучение взаимодействия клеток

Клеточные взаимодействия происходят на микроскопическом уровне и не могут быть легко обнаружены даже с помощью современных современных микроскопов. Из-за трудностей наблюдения реакций на молекулярном уровне используются косвенные методы, что значительно ограничивает объем понимания, которое может быть получено путем изучения этих процессов, необходимых для жизни. Достижения в области производства материалов привели к появлению новой области, известной как нанобиотехнология, которая использует наночастицы для изучения взаимодействий на биомолекулярном уровне. [20]

Одной из областей исследований, в которых используется нанобиотехнология, является внеклеточный матрикс клеток (ВКМ). ВКМ в основном состоит из переплетенных волокон коллагена и эластина диаметром от 10 до 300 нм. [20] Помимо удержания клетки на месте, ВКМ выполняет ряд других функций, включая обеспечение точки прикрепления для ВКМ других клеток и трансмембранных рецепторов , которые необходимы для жизни. До недавнего времени было практически невозможно изучить физические силы, которые помогают клеткам поддерживать свою функциональность, но нанобиотехнология дала нам возможность узнать больше об этих взаимодействиях. Используя уникальные свойства наночастиц, можно контролировать, как наночастицы прилипают к определенным образцам, присутствующим в ВКМ, и в результате можно понять, как изменения в форме ВКМ могут влиять на функциональность клетки. [20]

Использование нанобиотехнологий для изучения ECM позволяет ученым исследовать связывающие взаимодействия, которые происходят между ECM и его поддерживающей средой. Исследователи смогли изучить эти взаимодействия, используя такие инструменты, как оптический пинцет , который способен захватывать наномасштабные объекты сфокусированным светом. Пинцет может влиять на связывание субстрата с ECM, пытаясь оттянуть субстрат от него. Свет, излучаемый пинцетом, использовался для удержания покрытых ECM микрошариков , а изменения силы, оказываемой ECM на субстрат, изучались путем модуляции эффекта оптического пинцета. Эксперименты показали, что сила, оказываемая ECM на субстрат, положительно коррелирует с силой пинцета, что привело к последующему открытию того, что ECM и трансмембранные белки способны ощущать внешние силы и могут адаптироваться для преодоления этих сил. [20]

Нанотехнологии преодолевают гематоэнцефалический барьер

Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) состоит из системы капилляров, которая имеет особенно плотную выстилку эндотелиальных клеток , которая защищает центральную нервную систему (ЦНС) от диффузии инородных веществ в спинномозговую жидкость . [21] К этим вредным объектам относятся микроскопические бактерии, крупные гидрофобные молекулы, некоторые гормоны и нейротрансмиттеры , а также малорастворимые в липидах молекулы. ГЭБ предотвращает попадание этих вредных частиц в мозг через плотные соединения между эндотелиальными клетками и метаболическими барьерами. Тщательность, с которой ГЭБ выполняет свою работу, затрудняет лечение заболеваний мозга, таких как рак , болезнь Альцгеймера и аутизм , поскольку очень сложно транспортировать лекарства через ГЭБ. В настоящее время для того, чтобы доставить терапевтические молекулы в мозг, врачам приходится использовать высокоинвазивные методы, такие как прямое сверление мозга или нарушение целостности ГЭБ биохимическими средствами. [22] Благодаря своему небольшому размеру и большой площади поверхности наночастицы представляют собой многообещающее решение для нейротерапии.

Нанотехнологии полезны для доставки лекарств и других молекул через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). Наночастицы позволяют лекарствам или другим чужеродным молекулам эффективно пересекать ГЭБ, маскируя себя и обманывая мозг, предоставляя им возможность пересекать ГЭБ в процессе, называемом «методом троянского коня». [22] Использование нанотехнологий выгодно, поскольку необходим только разработанный комплекс, тогда как в обычных приложениях реакцию должно проводить активное соединение. Это позволяет добиться максимальной эффективности активного лекарства. Кроме того, использование наночастиц приводит к привлечению белков к поверхностям клеток, придавая клеточным мембранам биологическую идентичность. Они также используют эндогенный активный транспорт, где трансферрин , железосвязывающий белок, связан со стержнеобразными полупроводниковыми нанокристаллами, чтобы перемещаться через ГЭБ в мозг. [23] Это открытие является многообещающим достижением в направлении разработки эффективной системы доставки лекарств на основе наночастиц.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хинтердорфер, Дюфрен, "Обнаружение и локализация отдельных молекулярных событий 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 ансамблей», Журнал физической химии 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. ^ Bouropoulos; et al. (2008). «Квантовые точки ZnO контролируемого размера, полученные методом полиола: экспериментальное и теоретическое исследование». Materials Letters . 62 (20): 3533– 3535. doi :10.1016/j.matlet.2008.03.044.
  5. ^ Ли, Фэй и др. (2008). «Структурные и люминесцентные свойства наностержней ZnO и нанокомпозитов ZnO/ZnS». Журнал сплавов и соединений . 474 ( 1–2 ): 531–535 . doi :10.1016/j.jallcom.2008.06.149.
  6. ^ "5-шаговое руководство по конъюгации микрочастиц и наночастиц". LifeSynth Solutions . 2024-07-30 . Получено 2024-08-20 .
  7. ^ Алеш Панаек, Либор Квитек, Роберт Пручек, Милан Коларж, Рената Веержова, Надежда Пизурова, Вирендер К. Шарма, Татьяна Невена и Радек Зборжил «Коллоидные наночастицы серебра: синтез, характеристика и их антибактериальная активность» 31 марта 2011. «[4]» дои 10.1021.
  8. ^ abc Salata, OV (30 апреля 2004 г.). «Применение наночастиц в биологии и медицине». Журнал нанобиотехнологий . 2 (1): 3. doi : 10.1186 /1477-3155-2-3 . PMC 419715. PMID  15119954. 
  9. ^ "Метод Туркевича для синтеза золотых наночастиц". n. стр. Web. 24 марта 2011 г. "[5]" doi: 10.1021/jp061667w
  10. ^ Холистер, Вайнер, Вас и Харпер."Наночастицы". Веб. 31 марта 2011 г. "[6]"
  11. ^ Асури, Прашант; Бэйл, Шьям Сундхар; Караджанаги, Сандип С.; Кейн, Рави С. (декабрь 2006 г.). «Интерфейс белок-наноматериал». Современное мнение в области биотехнологии . 17 (6): 562–568 . doi :10.1016/j.copbio.2006.09.002. ISSN  0958-1669. ПМИД  17015011.
  12. ^ Кейн, Рави С.; Струк, Абрахам Д. (2007). «Нанобиотехнология: взаимодействие белков и наноматериалов». Biotechnology Progress . 23 (2): 316– 319. doi :10.1021/bp060388n. ISSN  1520-6033. PMID  17335286. S2CID  8875918.
  13. ^ Ротелло, Винсент (2004). Наночастицы — строительные блоки для нанотехнологий. Нью-Йорк: Springer Science + Business Media Inc. ISBN 978-0306482878.
  14. ^ ab De, Ghosh; Rotello (2008). «Применение наночастиц в биологии». Advanced Materials . 20 (22): 4225– 4241. doi : 10.1002/adma.200703183 . S2CID  137278963.
  15. ^ Асури, Прашант; Караджанаги, Сандип С.; Ян, Хэйчан; Йим, Тэ-Джин; Кейн, Рави С.; Дордик, Джонатан С. (1 июня 2006 г.). «Повышение стабильности белка посредством контроля наномасштабной среды». Ленгмюр . 22 (13): 5833–5836 . doi : 10.1021/la0528450. ISSN  0743-7463. ПМИД  16768515.
  16. ^ 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. doi :10.1166/jnn.2007.453. ISSN  1533-4880. PMID  17450942.
  17. ^ Хуэйчэнь Го, Ниагара М. Идрис, Юн Чжан, «Биодетекция высвобождения ДНК в живых клетках на основе LRET с использованием поверхностно-модифицированных флуоресцентных наночастиц с повышающей конверсией», 2011.
  18. ^ Прабха, Сваям и Лабхасетвар, Винод, Опосредованная наночастицами доставка гена p53 дикого типа приводит к устойчивой антипролиферативной активности в клетках рака молочной железы, 2004.
  19. ^ Гвинн М.Р., Валлиатан В., Наночастицы: влияние на здоровье — за и против, 2006.
  20. ^ abcd Sniadecki, Nathan; Ravi Desai; Sami Ruiz; Christopher Chen (1 января 2006 г.). «Нанотехнологии для взаимодействия клеток и субстратов». Annals of Biomedical Engineering . 34 (1): 59– 74. doi :10.1007/s10439-005-9006-3. PMID  16525764. S2CID  3055496. Получено 29.04.2011 .
  21. ^ Ragnaill, Michelle Nic; Brown, Meredith; Ye, Dong; Bramini, Mattia; Callanan, Sean; Lynch, Iseult; Dawson, Kenneth A. (2011). «Внутренний бенчмаркинг модели клеток гематоэнцефалического барьера человека для скрининга поглощения наночастиц и трансцитоза». European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics . 77 (3): 360– 367. doi :10.1016/j.ejpb.2010.12.024. PMID  21236340.
  22. ^ ab Бергер, Майкл. «Преодоление гематоэнцефалического барьера с помощью нанотехнологий». Np, nd Web. http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=6269.php
  23. ^ Сильва, Габриэль А. (2008). «Нанотехнологические подходы к пересечению гематоэнцефалического барьера и доставке лекарств в ЦНС». BMC Neuroscience . 9 (Suppl 3): S4. doi : 10.1186/1471-2202-9-S3-S4 . PMC 2604882 . PMID  19091001. 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Наночастица–биомолекулярный_конъюгат&oldid=1271297241"