Российские учёные изучили действие кремниевых наночастиц на клетки

Наноструктурированные кремниевые поверхности и наночастицы кремния тормозят деление стволовых и раковых клеток, а наночастицы в сочетании с ультразвуком клетки убивают. Эти исследования провели специалисты физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, ММА им. И. М. Сеченова, НЦ акушерства, гинекологии и перинатологии им. акад. В. И. Кулакова и РНЦ «Курчатовский институт».  По мнению учёных, полученные результаты могут найти применение в медицине, в частности в онкологии. Работу российских исследователей частично поддержало Минобрнауки России.

Наночастицы кремния обладают несколькими ценными свойствами: биосовместимостью, биодеградируемостью и высокой проникающей способностью. Они повышают проницаемость клеточных мембран, благодаря чему лекарственные вещества, связанные с частицами, можно принимать в меньших дозах. Кроме того, кремниевые частицы собираются использовать в качестве добавки в зубные пасты: они мягко удаляют бактериальный налёт, не повреждая эмали зубов. А ещё это замечательный консервант: частицы кремния препятствуют развитию патогенных микроорганизмов в продуктах питания. Так что у кремниевых наночастиц есть много поводов оказаться в организме. Неудивительно, что их свойства и взаимодействие с клетками активно исследуют многие лаборатории, в том числе и российские.

Учёные работали с наноструктурированными кремниевыми поверхностями и наночастицами кремния. Структурированные поверхности они получали методом электрохимического травления пластин кристаллического кремния. В результате на пластинах образовывался слой толщиной 15 мкм, состоящий из выступов и впадин высотой от 10 до 100 нм. Эти пластины помещали в чашки Петри с питательной средой и пробовали выращивать на них стволовые клетки спинного мозга человека. В течение десяти суток клетки сохраняли жизнеспособность, но практически не делились, в то время как на такой же среде, но без пластин они прекрасно размножались. По мнению исследователей, механизм такого влияния может быть связан как с локальными электрическими полями на структурированной поверхности кремния, так и с чисто химическим действием ортокремниевой кислоты, которая образуется при частичном растворении пластины в воде. Поскольку кремниевые плёнки тормозят рост стволовых клеток, их теоретически можно использовать для клеточной  консервации.

Вторая часть эксперимента была посвящена свойствам наночастиц поликристаллического или пористого кремния. Их добавляли в питательную среду, в которой выращивали клетки опухоли гортани человека или фибробластов мыши.

Раковые клетки неслучайно появились в эксперименте. Зарубежные исследователи пробуют целенаправленно вводить кремниевые наночастицы, связанные с лекарственными препаратами, в клетки опухоли. В экспериментах российских учёных наночастицы при концентрации выше 3 мг/мл тормозили рост клеток обоих типов: и нормальных, и опухолевых.

Известно, что поражающую силу наночастиц можно увеличить ультразвуком. Излучение высокой мощности (2 Вт/см2) само по себе уничтожает до 30 процентов клеток, а в присутствии наночастиц количество живых клеток уменьшится в четыре раза по сравнению с контролем (ультразвук без наночастиц) за полчаса. Частицы из пористого кремния более эффективны, чем из поликристаллического: в этом случае уничтожаются практически все клетки.  При низкой интенсивности ультразвука (0,2 Вт/см2) клетки с наночастицами не погибали, но в течение 80 часов полностью прекращали деление.

Возможно, наночастицы служат центрами возникновения кавитационных пузырьков, приводящих к разрушению клеток. Не исключено, что они, колеблясь в ультразвуковой волне, повреждают клетки механически. В зависимости от мощности ультразвука повреждения приводят к полному уничтожению раковых клеток или к появлению в них дефектов, препятствующих делению. Исследователи полагают, что полученные результаты могут найти применение в онкологии, но для полного представления о возможностях кремниевых наноструктур необходимы дальнейшие исследования.

Источник информации:

Л. А. Осьминкина, Е. Н. Лукьянова, М. Б. Гонгальский, А. А. Кудрявцев, А. Х. Гайдарова, Р. А. Полтавцева, П. К. Кашкаров, В. Ю. Тимошенко, Г. Т. Сухих «Влияние наноструктурированного кремния на процессы пролиферации стволовых и раковых клеток». Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 2011, том 151, № 1.

НАТАЛЬЯ РЕЗНИК