Многофункциональные магнитоуправляемые нано- и микроагенты и методы их регистрации in vivo для биомедицинских применений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.03, кандидат наук Никитин, Максим Петрович

• Никитин, Максим Петрович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Никитин, Максим Петрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Разнообразие наночастиц и способов их самосборки

1.1.1. Наночастицы

1.1.2. Требования, предъявляемые к наноагентам для медицины

1.1.3. Мультифункциональные структуры в нано- и микромасштабах

1.1.3.1. «Капсулирование»

1.1.3.2. Реакция между компонентами

1.1.3.3. Одновременный синтез компонент на одном зародыше

1.1.3.4. Самосборка: теория и примеры

1.1.4. Самосборка с помощью биомолекулярных интерфейсов/адаптеров

1.1.4.1. Самосборка наночастиц, опосредованная нуклеиновыми кислотами

1.1.4.2. Белок-опосредованная самосборка: примеры

1.2. Система барназа-барстар

1.3. Денатурация белков

1.3.1. Общие положения

1.3.2. Термическая денатурация

1.3.3. Хаотропные агенты: гуанидин гидрохлорид и мочевина

1.3.4. Денатурация под действием экстремальных значений рН

1.3.5. Высокая ионная сила как денатурант

1.4. Особое место магнитных частиц в биомедицине

1.4.1. Различные типы магнитных частиц

1.4.2. Применения магнитных частиц

1.4.3. Способы детекции магнитных частиц

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1. Материалы и оборудование

2.2. Методы исследования

2.2.1. Ковалентная конъюгация биомолекул с магнитными наночастицами

2.2.2. Определение ферментативной активности барназы

2.2.3. Биотинилирование белков

2.2.4. Детекция магнитных частиц

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ АГЕНТОВ

3.1. Самосборка многофункциональных частиц

3.1.1. Конъюгация белков барназы и барстара с наночастицами

3.1.2. Соотношение количества белков и МЧ при конъюгации

3.1.3. Определение количества активного белка на поверхности частицы

3.1.2. Магнитно-флуоресцентные частицы на основе белков барназа и барстар

3.1.2.1. Бифункциональные частицы: одновременно магнитные и флуоресцентные

3.1.2.2. Трифункциональные частицы (магнитные, флуоресцентные, противораково-направленные) в качестве диагностического агента

3.1.2.3. Демонстрация трифункциональности полученных комплексов

3.1.2.4. Разнообразие строения суперструктур

3.2. Прочность самособранных частиц

3.2.1. Оптимизация протокола конъюгации частиц с белками

3.2.2. Самосборка конъюгатов

3.2.3. Оптическая и сканирующая электронная микроскопия образцов: результаты самосборки в оптимальных условиях

3.2.4. Временная зависимость эффективности самосборки

3.2.5. Исследование результатов самосборки с помощью катодолюминесценции

3.2.6. Выбор метода визуализации для дальнейшего (полу)количественного анализа самосборки в различных условиях

3.2.7. Самосборка в экстремальных условиях

3.2.7.1. Влияние низких рН

3.2.7.2. Хаотропные агенты: мочевина и гуанидин гидрохлорид

3.2.7.3. Высокая ионная сила (NaCl)

3.2.7.4. Влияние добавления свободных белков в системе при самосборке

3.2.8 Стабильность предварительно собранных структур в экстремальных условиях

3.2.8.1. Изучение влияния наиболее жестких денатурирующих условий

3.2.8.2. Влияние на целостность предварительно собранных структур более мягких денатурирующих условий

3.2.8.3. Температурная устойчивость собранных структур

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ДЕТЕКЦИИ МАГНИТНЫХ АГЕНТОВ В

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЖИВОТНЫХ

4.1. Разработка метода детекции магнитных структур in vivo

АЛЛ. In vitro модель динамического потока

4.1.2. Инвазивные измерения in vivo в реальном времени

4.1.3. Сравнение с методом регистрации на основе радиоактивных меток

4.2. Синтез магнитных частиц

4.2.1. Синтез магнетита

4.2.2. Стабилизация МЧ оболочкой

4.2.3. Влияние соотношения железа II и III на магнитный сигнал

4.3. Детекция магнитных частиц в кровотоке

4.3.1. Методика измерения динамики концентрации магнитных наночастиц в кровотоке мышей

4.3.2. Динамика концентрации магнитных наночастиц в кровотоке мышей

4.3.2.1. Влияние анестезии

4.3.2.2. Влияние введенного количества наночастиц

4.3.2.3. Влияние размера

4.3.2.4. Влияние поверхности

4.3.2.5. Влияние повторного введения

4.3.2.6. Увеличение времени циркуляции наночастиц

4.4. Разработка метода неинвазивной детекции магнитных частиц в органах экспериментальных животных

4.4.1. Калибровка детектора

4.4.2. Измерения биораспределения наночастиц в организме крыс

4.4.3. Динамика биораспределения наночастиц в крысах

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ БИОДЕГРАДАЦИИ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ

5.1. Исследование долговременной динамики магнитного материала в печени мышей на протяжении нескольких месяцев

5.2. Изучение биодеградации магнитных наночастиц с помощью Мёссбауэровской

спектроскопии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многофункциональные магнитоуправляемые нано- и микроагенты и методы их регистрации in vivo для биомедицинских применений»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В последнее время наблюдается неуклонный рост использования нанотехнологий в биологии и медицине. Наночастицы представляют большой интерес для медицины XXI века из-за принципиально новых возможностей по сравнению с существующими лекарствами в молекулярной форме. Особый интерес вызывает применение различных наночастиц для лечения и диагностики таких заболеваний, как рак, инсульт, атеросклероз, а также инфекционных заболеваний. На данный момент существует большое разнообразие наночастиц, обладающих различными полезными физико-химическими свойствами: полимерные, золотые и магнитные частицы (МЧ), квантовые точки (КТ), наноалмазы и многие другие. В то время как некоторые наночастицы уже допущены для введения человеку в диагностических целях, а другие проходят клинические испытания, большая часть разработанных наночастиц еще только изучается в научных лабораториях: разрабатываются как новые подходы синтеза, так и новые применения in vitro (методы иммуноанализа, магнитная сортировка клеток) и in vivo (визуализация опухолей и направленная доставка лекарств, и т.п.). Большинство применений in vitro, например иммуноанализ, требуют «узкоспециализированных частиц», оптимизированных по таким параметрам как размер, максимальный специфический и минимальный неспецифический сигналы и т.п. Применения in vivo, наоборот, требуют в первую очередь большей функциональности частиц, например, одновременную способность к диагностике заболевания и его терапии. Так, например, для лечения онкозаболеваний были бы полезны частицы, способные одновременно подтвердить злокачественную природу опухоли (за счет иммунохимии), визуализировать распространение опухоли (за счет, например, флуоресцентного сигнала), и убить раковые клетки (за счет токсичных веществ, нагрева и т.п.). Разработка методов получения многофункциональных структур, содержащих в себе различные вышеперечисленные наночастицы, является важной задачей биомедицины.

Не менее важной является задача изучения поведения созданных нано- и микроагентов in vivo. Для создания эффективных препаратов требуется оптимизировать не только функционал структур, но и их фармакокинетические свойства - время циркуляции в кровотоке, распределение по органам, а также сделать их наименее токсичными и либо деградируемыми до безопасных молекулярных веществ, либо максимально инертными. Поэтому создание надежных методов детекции агентов и методов, позволяющих отслеживать их биотрансформацию и поведение после введения, является одной из актуальнейших проблем тераностического использования наночастиц.

Цель работы - разработка многофункциональных магнитоуправляемых нано- и микроструктур, а также разработка новых методов для всестороннего изучения поведения таких структур in vivo, в частности, для определения фармакокинетических параметров, например, времени циркуляции структур в крови, для количественного изучения распределения в органах, а также для определения путей биодеградации структур и их компонентов в тканях. Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

- Разработать метод самосборки многофункциональных структур на основе магнитных нано- и микрочастиц и молекулярного интерфейса барназа-барстар.

- Разработать метод детекции магнитных частиц ex vivo и in vivo в организме экспериментальных животных: в кровотоке и в органах.

- Синтезировать оптимальные магнитные метки для высокочувствительной регистрации разработанным методом.

- Разработать методы изучения фармакокинетических характеристик наночастиц, таких как время выведения из кровотока, распределения в органах и процессов биодеградации частиц.

Научная новизна

Впервые предложен метод получения многофункциональных нано- и микро-суперструктур путем самосборки функциональных агентов различной природы с помощью белок-белковых взаимодействий, а именно, с помощью молекулярного адаптера барназа-барстар. Впервые продемонстрировано, что системы нековалентной самосборки, в которых участвуют гибридные функциональные элементы - конъюгаты коллоидных частиц с белками, могут быть необычно стабильными и выдерживать экстремальные для молекулярных белков денатурирующие условия. Впервые в данной работе был предложен и разработан высокочувствительный метод количественной детекции магнитных частиц как нелинейных магнитных материалов при комнатной температуре в реальном времени в экспериментальных животных. Впервые предложен метод исследования процессов деградации in vivo магнитных наночастиц до ферритино-подобного железа с помощью мёссбауэровской спектроскопии.

Теоретическая и практическая значимость работы

Разработанная методика получения многофункциональных нано- и микроконструкций в сочетании с уникальным по чувствительности методом их детекции в живых организмах перспективна для исследований в области диагностики и терапии различных заболеваний на ранних стадиях, например, для обнаружения раковых опухолей внешним зондом по скоплению

магнитных структур, несущих специфические антитела к онкомаркерам. Предложенный метод белок-опосредованной самосборки сверхпрочных многофункцональных структур может быть использован для создания тераностических агентов с переменным составом и функционалом для целей персонализированной медицины. Разработанный метод мониторинга структур на основе магнитных маркеров в тканях организма и непосредственно в токе крови может успешно заменить диагностические методы на основе радиоактивности. Кроме того, разработанный метод регистрации МЧ позволяет эффективно контролировать и выбирать оптимальные нано- и микроагенты для управляемой доставки лекарственных препаратов, гипертермии опухолей, и т.д. Также метод, являясь принципиально новым физическим методом изучения поведения нано- и микрочастиц в организме, может быть использован для получения новой информации касательно фармакокинетики частиц, их токсичности и т.п.

Методология и методы исследования

В работе использован широкий спектр химических, биохимических и физических методов подробно описанных в главе 2 «Методы и материалы» и в главах 3-5.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработан метод получения многофункциональных нано- и микроагентов путем белок-опосредованной самосборки функциональных модулей различной природы с помощью молекулярного адаптера барназа-барстар на примере трифункциональных магнитных и, одновременно, флуоресцентных суперструктур, нацеленных мини-антителами на опухолевые клетки.

2. Показана необычная стабильность в экстремальных денатурирующих условиях структур, полученных на основе систем нековалентной самосборки, в которых участвуют гибридные функциональные элементы - конъюгаты коллоидных частиц с белками, по сравнению с теми же белками в свободном виде.

3. Разработаны методы высокочувствительной детекции в экспериментальных животных различных магнитных нано- и микроагентов по их нелинейной намагничиваемое™. Показано, что чувствительность разработанных методов детекции не уступает регистрации агентов на основе 59Ре по их радиоактивности.

4. Разработаны неинвазивные методы изучения фармакокинетических параметров магнитных агентов в экспериментальных животных: а) оригинальная методика регистрации динамики концентрации агентов в кровотоке хвоста животных, не требующая микрохирургии;

б) метод неинвазивного мониторинга распределения агентов в тканях и органах живых организмов на глубине до 2 см.

5. С помощью разработанных магнитометрических методов и методов мёссбауэровской спектроскопии исследованы процессы биодеградации магнитных агентов in vivo; показано, что после инъекции магнитные наночастицы оксидов железа разлагаются в организме животных до безопасных форм ферритино-подобного железа.

Степень достоверности и апробация работы

В исследовании применяются независимые методы и современное научное оборудование. Полученные результаты взаимно непротиворечивы и находятся в согласии с базовыми представлениями фундаментальной науки. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: 9th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, США 2012; IV Международный форум по нанотехнологиям, Россия, 2011; ЕМВО Conference on Biological Surfaces and Interfaces, Испания, 2011; Конференция «Нанотехнологии в онкологии», Россия, 2010; Пленум научного совета по биологической физике: биофизика и нанотехнологии. Проблемы и перспективы, Россия, 2010; 8th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, Германия, 2010; Конгресс «Биотехнология - состояние и перспективы развития», Россия, 2009; Международный Форум по Нанотехнологиям, Россия, 2008; Конференция «Нанотехнологии в онкологии 2008», Россия, 2008; Nanomedicine and Drug Delivery Symposium, США, 2007.

По материалам работы опубликовано 11 статей в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК, ([Nikitin, et al., Proc. Natl. Acad. Sei. USA 2010; Nikitin et al., AIP Conf. Proc., 2010; Nikitin et al., 2009; Nikitin et al., 2008; Aghayeva et al., 2013; Chuev et al., 2013; Gabbasov et al., 2013; Gabbasov et al., 2012; Polikarpov et al., 2013; Агаева и др., 2012; Шипунова и др., 2013]), 1 патент РФ [Никитин и др., 2010] и 8 тезисов докладов на конференциях.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Разнообразие наночастиц и способов их самосборки

1.1.1. Наночастицы

Наноразмерные объекты (надмолекулярные образования, биологические структуры, а также неорганические/органические частицы) вызывают значительный интерес исследователей из-за ряда уникальных свойств, отличающих их от подобных макрообъектов. Частицы с характерными размерами менее 100 нм являются, в сущности, компонентами дисперсной фазы истинных коллоидных систем. Существует несколько факторов определяющих их необычные свойства. Во-первых, с уменьшением размеров физических объектов возрастает отношение поверхности к объему, а, следовательно, увеличивается доля поверхностных атомов (или молекул). Велика разница между поверхностными и объемными свойствами вещества, в частности, из-за отличающегося энергетического статуса составляющих их молекул и атомов в смысле насыщенности межмолекулярных и межатомных сил. Из-за нескомпенсированности межмолекулярных взаимодействий, молекулы на поверхности раздела фаз обладают избыточной энергией по сравнению с соответствующими молекулами в объеме. Из-за этого химическая активность вещества в высокодисперсном состоянии может существенно повышаться [Щукин и др., 2007]. Кроме того, в наномасштабе существенную роль начинают играть различные квантовые эффекты. При этом важен как размер, так и форма наночастиц. Причем в случае высокой пространственной и физической анизотропии частиц, их форма может играть значительную роль.

Учитывая вышесказанное, неудивительно, что в последнее время изучению и применению наночастиц посвящается все большее количество работ исследователей из самых разных областей естествознания: от энергетики и материаловедения до биомедицины [van Rijn, Böker, 2011; Hall et al., 2007; Cheng et al, 2006; Ferrari, 2005]. Зачастую, например, в медицине, представляется возможность решения давно известных, но актуальных, проблем новыми путями и средствами. Каковы же основные преимущества диагностических и терапевтических подходов на основе наночастиц?

Важным свойством наночастиц с точки зрения биомедицины является соизмеримость с различными биологическими объектами, например, клетками или клеточными органеллами, которые могут являться мишенью для направленного воздействия наночастиц, в т.ч. доставки какой-либо терапевтической нагрузки [Alexis et al., 2008; Moghimi et al., 2001]. Такая схожесть размеров наночастицы и мишени делает возможным их непосредственное взаимодействие.

Более того, эффективность и специфичность этого воздействия с терапевтической точки зрения может оказаться значительно выше по сравнению с чисто молекулярными подходами, т.к. за счет большой удельной поверхности наноагентов они могут быть снабжены множественными механизмами распознавания совей мишени, например антителами [Wu et al., 2003; Zdobnova et al., 2009], аптамерами [Farokhzad et al., 2006; Levy-Nissenbaum et al., 2008]; RGD-пептидами [Temming et al., 2005]. Кроме того, в объеме частицы может быть также заключен множественный функционал, например, частица может нести в своем объеме несколько терапевтических лекарственных агентов, сочетанное действие которых также будет приводить к повышению эффективности терапии за счет синергетических эффектов.

Кроме того, наночастицы могут обладать рядом специфических свойств. Например, квантовые точки (КТ), показанные на рисунке 1.1, могут быть использованы как перспективные флуоресцентные маркеры, отличающиеся от химических и биомолекулярных флуорофоров (органических красителей, флуоресцентных белков) по следующим параметрам [Michalet et al., 2005; Soltesz et al., 2005; Chen et al., 2008]:

- высокому квантовому выходу флуоресценции, близкому к единице;

- узкому пику в спектре испускания и широкому в спектре возбуждения;

- высокой фотостабильности;

-возможности легко настраивать длину волны испускания варьируя размер частицы (чем меньше частица, тем меньше длина волны);

- значительным 300-400 нм Стоксовым сдвигом;

- возможностью возбуждения флуоресценции разных КТ одним и тем же источником света, что позволяет осуществлять одновременную мультиканальную визуализацию [Guo et al., 2004; Но et al., 2010; Rhyner et al., 2006], как показано на рисунке 1.1.

Золотые наночастицы [Rayavarapu et al., 2007] представляют интерес из-за явления, называемого поверхностным плазмонным резонансом, позволяющего детектировать такие частицы в организме и/или нагревать их светом, например, для уничтожения раковых клеток. Такое воздействие называется гипертермией опухолей и основано на меньшей толерантности раковых клеток к повышенным температурам (42-43 °С) по сравнению со здоровыми клетками.

Рисунок 1.1 — Разнообразные наночастицы: (а) схема магнитной наночастицы (МЧ), покрытой полимерной оболочкой и функционализированной полиэтиленгликолем (ПЭГ) и антителом; (Ы) и (Ъ2) микрофотографии различных МЧ [Jun et al., 2008]; (с) флуоресцентная визуализация клеток с помощью квантовых точек ('dots ') и наностержней ('rods ') [Fu et al., 2007]; (d) иллюстрация зависимости спектральных характеристик серебряных AgH4 и золотых АиНЧ от размера, формы и химического состава частиц [Rosi, Mirkin, 2005]; (е) мультиканальная визуализация квантовых точек in vivo [Gao et al., 2004]

В настоящее время уже проходят клинические испытания различные наноразмерные агенты: липосомы [Moghimi et al., 2001; Samad et al, 2007], полимерные [Cheng et al, 2007; Keresztessy et al., 2009] и дендримерные частицы [Fréchet, 2002], способные быть носителями молекулярных препаратов для их локализованной доставки с возможностью контролируемого дозированного высвобождения непосредственно в клетки или в межклеточное пространство (рисунок 1.2)

Л J« "J* vr г;

С ^ S ht

Полимеросома

Полимерная мицелла

Полимерная наночастица

Конъюгат полимера с лекарством

Дендример

Полимерная «сердцевина» Полимерная «корона« Терапевтическая «нагрузка»

Рисунок 1.2 — Разнообразие платформ на основе полимерных наночастиц для доставки лекарств. Рисунок взят из Alexis et al., 2008, с изменениями

Магнитные наночастицы (МЧ), состоящие, например, из магнетита Fe3Û4, или маггемита у-РегОз, обладают наиболее широким спектром возможностей за счет их уникальной физической природы. Уникальное преимущество МЧ перед другими частицами - возможность контроля их поведения in vivo с помощью внешнего магнитного поля. Такие частицы можно передвигать с помощью внешних магнитных полей, что открывает возможности для магнитной доставки лекарственных препаратов в определенную точку организма, предотвращая системную интоксикацию организма. Важной чертой биосовместимых МЧ является их суперпарамагнетизм, т.е. отсутствие остаточной намагниченности при снижении внешнего поля до нуля у однодоменных магнитных частиц меньше некоторого критического значения (рисунки 1.1 и 1.3; [Jun et al., 2008]). Это устраняет опасность необратимой агрегации МЧ при наложении магнитного поля. Однако для обеспечения коллоидной стабильности необходимо оптимизировать поверхностные свойства частиц, главным образом, гидрофильность и заряд. Кроме того, важной особенностью МЧ является их биосовместимость и нетоксичность для организма при введении в разумных количествах, в т.ч. значительно превышающих допустимые для многих других наночастиц. Помимо этого, магнитные частицы могут быть использованы для гипертермии опухолей (как и золотые наночастицы) при действии на них переменных магнитных полей. Ну и конечно, широко известно их применение в качестве контрастирующих агентов в магнитно-резонансной томографии [Fortin-Ripoche et al., 2006; Levy et al., 2002; Peng et al., 2008; Sun et al., 2008; Petri-Fink, Hofmann, 2007]. Кроме того, МЧ можно детектировать с высокой чувствительностью даже на значительном расстоянии от детектора, причем так, что пара- и диамагнитные окружающие материалы, такие как ткани

организма, пластик и т. п., не будут вносить вклада в регистрируемый сигнал [Nikitin et al., 2000; Nikitin et al., 2007; Joshi et al., 2007, Nikitin et al., 2008, Nikitin et al., 2009].

De Диаметр частицы (О)

Рисунок 1.3 - Соотношение размеров МЧ и их доменной структуры и коэрцитивной силы: от однодоменного суперпарамагнетизма до одно- и мультидоменного ферромагнетизма. Нс -коэрцитивная сила, Dc — диаметр частиц [Jun et al., 2008]

1.1.2. Требования, предъявляемые к наноагентам для медицины

Для успешного использования ряда интересных свойств наночастиц in vivo, частицы должны удовлетворять определенным требованиям, которые можно сформулировать следующим образом:

1) коллоидная стабильность в биологических буферных системах и жидкостях,

2) отсутствие токсичности, биосовместимость, инертность или биодеградируемость,

3) отсутствие иммунного ответа,

4) направленность, локализованность, и специфичность воздействия,

5) соответствие фармакокинетических параметров, например времени выведения из кровотока, поставленной задаче [De Jong, Borm, 2008; Zhang et al., 2008].

Наночастицы при введении в организм воспринимаются иммунной системой как инородные объекты, которые следует обезвредить или уничтожить и вывести из организма. В первую очередь, играют важную роль механизмы врожденного иммунитета, клеточная ветвь которого представлена моноцитарно-макрофагальной (мононуклеарной фагоцитирующей) системой (МФС). Циркулирующие в кровотоке моноциты и резидентные макрофаги, которые можно считать продуктом их дифференцировки (клетки Купфера в печени (до 50% МФС), альвеолярные макрофаги легких, перитонеальные макрофаги и др.), эффективно находят и удаляют путем фагоцитоза любые чужеродные частицы. Одним из важнейших механизмов распознавания чужеродных нано/микрообъектов является опсонизация, т.е. ассоциация с

поверхностью объектов (клеток бактерий, различных инородных тел) молекул, к которым у фагоцитов имеются специфические распознающие рецепторы. Наиболее распространенными опсонинами являются молекулы антител, а соответствующими рецепторами фагоцитов - Fc-рецепторы к константной части тяжелой цепи иммуноглобулинов. Помимо иммуноглобулинов, опсонизация может осуществляться белками острой фазы (пентраксинами: С-реактивным белком, белками сурфактанта легких SP-A, SP-D, лектином, связывающим маннозу MBL, и др.), и компонентами системы комплемента (СЗЬ, iC3b, C4b). Однако в природе существуют механизмы, позволяющие патогенным микроорганизмам избегать такого распознавания [Ярилин, 2010; Peng et al., 2008]. Так, например, один из таких механизмов, используемый Sreptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, Treponema pallidum и Klebsiella pneumonia [Moghimi et al., 2001], нашел применение для защиты наночастиц от преждевременного выведения из кровотока, а именно, покрытие поверхности частиц гидрофильными полимерными оболочками, которые за счет образования «гидратной шубы» вокруг частицы имеют чрезвычайно низкое сродство к белкам плазмы, в том числе опсонинам. Из испытанных на сегодняшний день полимеров можно выделить различные полисахариды (декстран, альгиновую кислоту, пуллулан, гиалуроновую кислоту и пр.), а также синтетические гидрофильные полимеры, такие как полиэтиленгликоль (ПЭГ) [Jain, Jain, 2008; Kang et al., 2009], поливиниловый спирт, и т.д.

Кроме того, на возможность избежать иммунного ответа существенное влияние оказывают размер и форма наночастиц [Тао et al., 2011]. Показано, что оптимальные размеры частиц покрытых ПЭГ лежат в диапазоне ниже 100 нм (для сферических частиц). Известно, что чересчур маленькие частицы быстро удаляются из организма через почки, а частицы крупнее 250 нм, слишком заметны для фагоцитов [Alexis et al., 2008]. В последнее время появляется все больше публикаций о значительном влиянии формы наночастиц на их фармакокинетические параметры. Так, например, филомицеллы из двублочных полимеров [Geng et al., 2007] демонстрируют гораздо большее время циркуляции в кровотоке по сравнению с соответствующими сферическими частицами.

Для определенных приложений важна возможность биодеградации частиц в организме, т.е. состав и структура частиц должны позволять химическим условиям в организме или ферментным системам организма с течением времени переработать частицу до биохимически усвояемой формы. Например, для полимерных частиц это означает, что связи между мономерами должны быть, например, амидными или сложноэфирными, как в полилактате (poly(lactic acid), PLA) или сополимере молочной гликолевой кислот (poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA).

Таким образом, при дизайне наноагентов для медицины важно принимать во внимание большое число факторов, так или иначе влияющих на их поведение in vivo. В первую очередь, это касается особенностей взаимодействия с иммунной системой организма, что ставит вопрос об актуальности подходов индивидуализированной медицины будущего [Ginsburg, McCarthy, 2001].

1.1.3. Мультифункциональные структуры в нано- и микромасштабах

Одним из принципиально новых подходов, осуществление которого представляется особенно интересным с использованием наноагентов, является тераностический подход, подразумевающий объединение в одном агенте двух функциональных модулей одной или разной физической природы: диагностического и терапевтического. Возможность контроля и взаимной координации этих функций извне также крайне интересно [Chen et al., 2010; Hall et al., 2007; Kim et al., 2009; Torchilin, 2006]. Преимущество такой методологии заключается в меньшем количестве введений различных препаратов в организм пациента, которые иногда могут быть весьма болезненными. Кроме того, за счет многофункциональности тераностических агентов достигается сразу несколько целей. Рассмотрим основные методы, позволяющие объединять различные компоненты вместе [Quarta et al., 2007]. Методики отличаются, в основном, топологией получаемых структур и типом связи между компонентами.

1.1.3.1. «Капсулирование»

Первый распространенный вариант - использование «капсулирования» нескольких компонент в общую оболочку, для которой могут быть использованы самые различные полимеры от полисахаридов и полипептидов до полистирола и силикатных материалов [Veiseh et al., 2005]. Один из возможных вариантов капсулирования - это создание полимерных наночастиц с размером пор, достаточным для проникновения всех компонентов будущей структуры. Например, полимерные частицы могут быть «заполнены» квантовыми точками (с размером ~3-8 нм) и одновременно магнитными наночастицами (размером 5-20 нм) при помощи ультразвуковой обработки [Xie, et al., 2005]. Вместо квантовых точек в такой методике могут быть использованы различные молекулярные флуорофоры [Holzapfel et al., 2006].

Однако при таком подходе возникают трудности из-за возможного уменьшения эффективности подобных структур вследствие взаимодействия между близко расположенными компонентами. Известно, например, что наночастицы оксидов железа могут тушить флуоресценцию квантовых точек за счет фёрстеровского резонансного переноса энергии {англ. FRET). Для разделения компонентов в пространстве мультифункциональной структуры

используют следующие подходы. Во-первых, используют подход послойную самосборку частиц {англ. layer-by-layer), когда различные слои, как правило заряженные, чередуются, «наслаиваясь» на затравочные частицы. Тогда, например, используя такие строительные блоки, как положительно заряженный полимер, отрицательно зараженные магнитные частицы и квантовые точки, можно собирать структуры, чередуя положительные и отрицательные блоки. Такой подход был успешно реализован в [Gaponik et al., 2004]. При этом, чередуя слои из частиц или молекул полимера, можно отдалять слои магнитных частиц от слоев квантовых точек на сколь угодно большое расстояние [Zebli et al., 2005].

Силикатные оболочки также представляют большой интерес. Например, гидрофобные магнитные частицы могут быть модифицированы органокремниевыми компонентами, которые способствуют формированию силикатной оболочки вокруг частицы. При добавлении к ним флуорофоров или других частиц, модифицированных алкоксисиланами, они автоматически включаются в силикатную оболочку. Такой подход был использован для включения ФИТЦ и родамина в оболочку магнитных частиц [Lu et al., 2007, Yoon et al., 2006]. После получения таких частиц метод может быть комбинирован с послойным наращиванием частиц [Guo et al., 2006]. Главное преимущество данного подхода - высокая коллоидная стабильность получаемых структур, а также возможность минимизировать тушение флуоресценции путем разнесения различных компонент структуры в пространстве.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Никитин, Максим Петрович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Агаева У.Ф., Никитин М.П., Коростылев Е.В., Лукаш С.В., Деев С.М., Петров Р.В. Самосборка магнитно-флуоресцентных коллоидных конструкций на основе белок-белковых взаимодействий // Доклады Академии Наук. 2012. Т. 445. № 6. 692-695.

2. Никитин М.П., Здобнова Т.А., Стремовский О.А., Лукаш С.В., Деев С.М. Конструкция на основе белковой пары барназа-барстар и способ ее получения // Патент РФ 2480524. Приоритет от 13.09.2010.

3. Никитин П.И., Ветошко П.М. Измеритель магнитной восприимчивости // Патент РФ 2177611. Приоритет от 09.03.2000.

4. Спирин А. С. Рибосомы. М. : Высшая школа, 2008. С. 28-32.

5. Финкелынтейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. М. : КД «Университет», 2005.

6. Шипунова В.О., Никитин М.П., Лизунова А.А., М.А. Ермакова, Деев С.М., Петров Р.В. Магнитные наночастицы с полиэтилениминовой оболочкой для модификации клеток // Доклады Академии Наук. 2013. Т. 452. № 3. 333-335.

7. Щукин Е. Д., Перцов А. В., Амелина Е. А. Коллоидная химия: Учеб. для университетов и химико-технологических вузов. 5-е издание, испр. М. : Высшая школа, 2007. С. 9-12.

8. Ярилин А. А. Иммунология: учебник. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010. С. 63-71,123-133.

9. Aghayeva U.F., Nikitin М.Р., Lukash S.V., Deyev S.M. Denaturation-Resistant Bifunctional Colloidal Superstructures Assembled via the Proteinaceous BarnaseBarstar Interface // ACS Nano, 2013. V.7. P. 950-961.

10. Alivisatos A. P., Johnsson K. P., Peng X., Wilson Т. E., Loweth C. J., Bruchez Jr. M. P., Schultz P. G. Organization of 'nanocrystal molecules' using DNA // Nature. 1996. V. 382. P. 609-611.

11. Baselt D. R. A biosensor based on magnetoresistance technology // Biosens. Bioelectron. 1998. V. 13. P. 731-739.

12. Bates A. D., Callen B. P., Cooper J. M., Cosstick R., Geary C., Glidle A., Jaeger L., Pearson J. L., Proupin-Perez M., Xu C. G., Cumming D. R. S. Construction and Characterization of a Gold Nanoparticle Wire Assembled Using Mg2+-Dependent RNA-RNA Interactions // Nano Lett. 2006. V. 6. P. 445-448.

13. Bishop K. J. M., Wilmer С. E., Soh S., Grzybowski B. A. Nanoscale Forces and Their Uses in Self-Assembly // Small. 2009. V. 5. № 14. P. 1600-1630.

14. Blum A. S., Soto С. M., Wilson C. D., Cole J. D., Kim M., Gnade В., Chatterji A., Ochoa W. F., Lin T. W., Johnson J. E., Ratna B. R. Cowpea mosaic virus as a scaffold for 3-D Patterning of gold nanoparticles // Nano Lett. 2004. V. 4. P. 867-870.

15. Briley-Saebo K., Bjornerud A., Grant D., Ahlstrom H., Berg Т., Kindberg G. M. Hepatic cellular distribution and degradation of iron oxide nanoparticles following single intravenous injection in rats: implications for magnetic resonance imaging // Cell Tissue Res. 2004. V. 316. P. 315-323.

16. Buckle A. M., Schreiber G., Fersht A. R. Protein-Protein Recognition: Crystal Structural Analysis of a Barnase-Barstar Complex at 2.0-A Resolution // Biochemistry. 1994. V. 33. P.8878-8889.

17. Camilloni C., Guerini Rocco A., Eberini I., Gianazza E., Broglia R. A., Tiana G. Urea and Guanidinium Chloride Denature Protein L in Different Ways in Molecular Dynamics Simulations // Biophys. J. 2008. V. 94. P. 4654^661.

18. Chen W., Xu N.. Xu L., Wang L., Li Z., Ma W., Zhu Y., Xu C., Kotov N. A. Multifunctional Magnetoplasmonic Nanoparticle Assemblies for Cancer Therapy and Diagnostics (Theranostics) // Macromol. Rapid. Commun. 2010. V. 31. P. 228-236.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26,

27,

28

29

30,

31

32

33

34

35

36

Chen Z., Chen H., Meng H., Xing G., Gao X., Sun B., Shi X., Yuan H., Zhang C., Liu R., Zhao F., Zhao Y., Fang X. Bio-distribution and metabolic paths of silica coated CdSeS quantum dots // Toxicol. Appl. Pharmacol. 2008. V. 230, P. 364-371. Cheng J., Luther G., Teply B. A., Gu F. X., Sherifi I., Levy-Nissenbaum E., Sung J., Radovic-Moreno A. F., Langer R., Farokhzad O. C. Formulation of Functionalized PLGA-PEG Nanoparticles for In Vivo Targeted Drug Delivery // Biomaterials. 2007. V. 28. № 5. P. 869-876.

Cheng M. M-C., Cuda G., Bunimovich Y. L., Gaspari M., Heath J. R., Hill H. D., Mirkin C. A., Nijdam A. J., Terracciano R., Thundat T., Ferrari M. Nanotechnologies for Biomolecular Detection and Medical Diagnostics // Curr. Opin. Chem. Biol. 2006. V. 10. P. 11-19.

Chuev M.A., Cherepanov V.M., Deyev S.M., Mischenko I.N., Nikitin M.P., Polikarpov M.A., Panchenko V.Y. Interpretation of the Mossbauer Spectra of the Magnetic Nanoparticles in Mouse Spleen // AIP Conf. Proc. 2010. CP1311. P. 322-328. Connolly S., Fitzmaurice D. Programmed Assembly of Gold Nanocrystals in Aqueous Solution // Adv. Mater. 1999. V. 11. № 14. P. 1202-1205.

De Jong W. H., Borm P. J. A. Drug delivery and nanoparticles: applications and hazards // Int. J. Nanomed. 2008. V. 3. № 2. P. 133-149.

DeChancie J., Houk K. N. The Origins of Femtomolar Protein-Ligand Binding: Hydrogen Bond Cooperativity and Desolvation Energetics in the Biotin-(Strept)Avidin Binding Site // J. Am. Chem. Soc. 2007. V. 129. P. 5419-5429.

Dempsey C. E., Piggot T. J., Mason P. E. Dissecting contributions to the denaturant sensitivities of proteins // Biochemistry. 2005. V. 44. P. 775-781. Deyev S. M., Waibel R., Lebedenko E. N., Schubiger A. P., Pliickthun A. Design of Multivalent Complexes Using the Barnase'Barstar Module // Nat. Biotechnol. 2003. V. 21. P. 1486-1492.

Du G. H., Liu Z.L., Lu Q.H., Xia X., Jia L.H., Yao K.L., Chu Q., Zhang S.M. Fe304/CdSe/ZnS magnetic fluorescent bifunctional nanocomposites // Nanotechnology. 2006. V. 17. P. 2850-2854.

Edelweiss E., Balandin T. G., Ivanova J. L., Lutsenko G. V., Leonova O. G., Popenko V. I., Sapozhnikov A. M., Deyev S. M. Barnase as a New Therapeutic Agent Triggering Apoptosis in Human Cancer Cells // PLoS ONE. 2008. V. 3. № 6. P. e2434. Enpuku K., Minotani T., Gima, T., Kuroki Y., Itoh Y., Yamashita M., Katakura Y., Kuhara S. Detection of magnetic nanoparticles with superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometer and application to immunoassays // J. Appl. Phys. 1999. V. 2. P. L1102-L1105.

Euliss L.E., DuPont J.A., Gratton S., DeSimone J. Imparting size, shape, and composition control of materials for nanomedicine // J. Chem Soc Rev. 2006. V. 35 P. 1095-1104.

Farokhzad O. C., Cheng J., Teply B. A., Sherifi I., Jon S., Kantoff P. W., Richie J. P., Langer R. Targeted nanoparticle-aptamer bioconjugates for cancer chemotherapy in vivo // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006. V. 103. № 16. P. 6315-6320. Ferrari M. Cancer Nanotechnology: Opportunities and Challenges // Nat. Rev. Cancer. 2005. V. 5. P. 161-171.

Fersht A. R. Protein folding and stability - the pathway of folding of barnase // FEBS Lett. 1993. V. 325. P. 5-16.

Fialkowski M., Bishop K. J. M., Klajn R., Smoukov S. K., Campbell C. J., Grzybowski B. A. Principles and Implementations of Dissipative (Dynamic) Self-Assembly // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. № 6. P. 2482-2496.

Fortin-Ripoche J., Martina M. S., Gazeau F., Mernager C., Wilhelm C., Bacri J., Lesieur S., Clerment O. Magnetic Targeting of Magnetoliposomes to Solid Tumors with MR

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47,

48.

49

50,

51

52

53

54

55

56

Imaging Monitoring in Mice: Feasibility // Radiology. 2006. V. 239. № 2. P. 415-424. Fréchet J. M. J. Dendrimers and supramolecular chemistry // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002. V. 99. № 8. P. 4782-4787.

Frisch C., Schreiber G., Johnson C. M., Fersht A. R. Thermodynamics of the interaction of barnase and barstar: changes in free energy versus changes in enthalpy on mutation // J. Mol. Biol. 1996. V. 267. P. 696-706.

Fu A. H., Gu W. W., Boussert B., Koski K., Gerion D., Manna L., Le Gros M., Larabell C. A., Alivisatos A. P. Semiconductor quantum rods as single molecule fluorescent biological labels //Nano Letters. 2007. V. 7. № 1. P. 179-182.

Gabbasov R., Cherepanov V., Chuev M., Polikarpov M., Nikitin M., Deyev S., Panchenko V. Biodégradation of Magnetic Nanoparticles in Mouse Liver From Combined Analysis of Môssbauer and Magnetization Data // IEEE Trans. Magn. 2013. V.49. P. 394-397.

Gabbasov R.R., Cherepanov V.M., Chuev M.A., Polikarpov M.A., Nikitin M.P., Deyev S.M., Panchenko V. Y. Study of Nature of Paramagnetic Doublet in Môssbauer Spectra of Mice Liver Using External Magnetic Field // Solid State Phenom. 2012. V.190. P. 729-732.

Gaponik N., Radtchenko I. L., Sukhorukov G. B., Rogach A. L. Luminescent polymer microcapsules addressable by a magnetic field // Langmuir. 2004. V. 20. P. 1449-1452. Geng Y., Dalhaimer P., Cai S., Tsai R., Tewari M., Minko T., Discher D. E. Shape effect s of filaments versus spherical particles in flow and drug delivery // Nat. Nanotechnol. 2007. V. 2. P. 249-255.

Ginsburg G. S., McCarthy J. J. Personalized medicine: revolutionizing drug discovery and patient care // TRENDS in Biotechnology. 2001. V. 19. № 12. P. 491-496. Graham D. L., Ferreira H., Bernardo J., Freitas P. P., Cabrai J. M. S. Single magnetic microsphere placement and detection on-chip using current line designs with integrated spin valve sensors: biotechnological applications // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. P. 77867788.

Grzelczak M., Vermant J., Furst E. M., Liz-Marzân L. M. Directed Self-Assembly of Nanoparticles // ACS Nano. 2010. V. 4. P. 3591-3605.

Grzybowski B. A., Wilmer C. E., Kim J., Browne K. P., Bishop K. J. M. Self-assembly: from crystals to cells // Soft Matter. 2009. V. 5. P. 1110-1128.

Gu H. W., Zheng R. K., Zhang X. X., Xu B. Facile one-pot synthesis of bifunctional heterodimers of nanoparticles: A conjugate of quantum dot and magnetic nanoparticles // J. Amer. Chem. Soc. 2004. V. 126. P. 5664-5665.

Guo J., Yang W. L., Wang C. C., He J., Chen J. Y. Poly(N-isopropylacrylamide)-coated luminescent/magnetic silica microspheres: Preparation, characterization, and biomedical applications // Chem. Mater. 2006. V. 18. P. 5554-5562.

Hâkansson K., Reid K. B. M. Collectin Structure: A Review // Prot. Sci., 2000. V. 9. P. 1607-1617.

Hall J. B., Dobrovolskaia M. A., Patri A. K., McNeil S. E. Characterization of

nanoparticles for therapeutics //Nanomedicine. 2007. V. 2. № 6. P. 789-803.

Harris J. R. Negative Staining of Thinly Spread Biological Particulates // Methods in

Molecular Biology. V. 117./ Ed. Hajibagheri N. Totowa: Humana Press Inc., 1999.

Harris T. J., von Maltzahn G., Derfus A. M., Ruoslahti E., Bhatia S. N. Proteolytic

Actuation of Nanoparticle Self-Assembly // Angew. Chem. Int. Ed. 2006. V. 45. P.

3161-3165.

Hartley R. W., Rogerson D. L. Jr. Barnase // Prep. Biochem. 1972. V. 2. P. 229-242. Hazarika P., Ceyhan B., Niemeyer C. M. Reversible Switching of DNA-Gold Nanoparticle Aggregation // Angew. Chem. Int. Ed. 2004. V. 43. P. 6469 -6471. Hermanson G. T. Bioconjugate Techniques. 2nd ed. London: Academic Press, 2008.

57.

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72.

73

74,

75,

76

77,

Hiddessen A. L., Rodgers S. D., Weitz D. A., Hammer D. A. Assembly of Binary Colloidal Structures via Specific Biological Adhesion // Langmuir. 2000. V. 16. P. 9744-9753.

Ho Y., Leong K.W. Quantum dot-based theragnostics // Nanoscale. 2010. V.2. P.60-68. Hoefling M., Gottschalk K. E. Barnase-Barstar: From first encounter to final complex // J. Struct. Biol. 2010. V. 171. P. 52-63.

Holmberg A., Blomstergren A., Nord O., Lukacs M., Lundeberg J., Uhlen M. The biotin-streptavidin interaction can be reversibly broken using water at elevated temperatures // Electrophoresis. 2005. V. 26. P. 501-510.

Holzapfel V., Lorenz M., Weiss C.K., Schrezenmeier H., Landfester K., Mailänder V. Synthesis and biomedical applications of functionalized fluorescent and magnetic dual reporter nanoparticles as obtained in the miniemulsion process // J. Phys. Condens. Matter. 2006. V. 18. S2581.

Howarth M., Takao K., Hayashi Y., Ting A. Y. Targeting quantum dots to surface proteins in living cells with biotin ligase // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 2005. V. 102. P. 7583-7588.

Ito A., Shinkai M., Honda H., Kobayashi T. Medical application of functionalized magnetic nanoparticles. // J. Biosci. Bioeng. 2005. V. 100, P. 1-11. Jain A., Jain S. K. PEGylation: an approach for drug delivery // A review. Crit Rev Ther Drug Carrier Syst. 2008. V. 25. P. 403-447.

Jain T.K., Reddy M.K., Morales M.A., Leslie-Pelecky D.L., Labhasetwar V. Biodistribution, clearance, and biocompatibility of iron oxide magnetic nanoparticles in rats // Mol. Pharm. 2008. V. 5. P. 316-327.

Janeway C. A., Walport M., Travers P., Schlomchik M.J. Immunobiology. The immune system in health and disease. 6th edition. New York: Garland Sciences, 2005. Joshi T., Pankhurst Q., Hattersley S., Brazdeikis A., Hall-Craggs M., De Vita E., Bainbridge A., Sainsbury R., Sharma A., Douek M. Magnetic nanoparticles for detecting sentinel lymph nodes // Eur. J. Surg. Oncol. 2007. V. 33. P. 1135-1135. Jun Y., Seo J., Cheon J. Nanoscaling Laws of Magnetic Nanoparticles and Their Applicabilities in Biomedical Sciences //Acc. Chem. Res. 2008. V. 41. № 2. P. 179-189. Kang J. S., Deluca P. P., Lee K. C. Emerging PEGylated drugs // Expert Opin Emerg Drugs. 2009. V. 14. P. 363-80.

Katsura S., Yasuda T., Hirano K., Mizuno A., Tanaka S. Development of a new detection method for DNA molecules // Supercond. Sei. Tech. 2001.V.14. P.l 131-1134. Katz E., Willner I. Integrated Nanoparticle-Biomolecule Hybrid Systems: Synthesis, Properties, and Applications // Angew. Chem . Int. Ed. 2004. V. 43. P. 6042-6108. Keresztessy Z., Bodnar M., Ber E., Hajdu I., Zhang M., Hartmann J. F., Minko T., Borbely J. Self-assembling chitosan/poly-y-glutamic acid nanoparticles for targeted drug delivery // Colloid Polym Sei. 2009. V. 287. P. 759-765.

Kim H., Achermann M., Balet L. P., Hollingsworth J. A., Klimov V. I. Synthesis and characterization of co/cdse core/shell nanocomposites: Bifunctional magnetic-optical nanocrystals // J. Amer. Chem. Soc. 2005. V. 127. P. 544-546.

Kim J., Piao Y., Hyeon T. Multifunctional Manostructured Materials for Multimodal Imaging, and Simultaneous Imaging and Therapy // Chem. Soc. Rev. 2009. V. 38. P. 372-390.

Lee L.-P., Tidor B. Barstar is electrostatically optimized for tight binding to barnase // Nat. Struct. Biol. 2001. V. 8. P. 73-76.

Lee S. Magnetic gradiometer based on a high-transition temperature superconducting quantum interference device for improved sensitivity of a biosensor // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. P. 3094-3096.

Levy L., Sahoo Y., Kim K., Bergey E. J., Prasad P. N. Nanochemistry: Synthesis and

78.

79

80

81

82

83

84,

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

Characterization of Multifunctional Nanoclinics for Biological Applications // Chem. Mater. 2002. V. 14. P. 3715-3721.

Levy-Nissenbaum E., Radovic-Moreno A. F., Wang A. Z., Langer R., Farokhzad O. C. Nanotechnology and aptamers: applications in drug delivery // Trends Biotechnol. 2008. V. 26. № 8. P. 442^149.

Li M., Wong K. K. W., Mann S. Organization of Inorganic Nanoparticles Using Biotin-Streptavidin Connectors // Chemistry of Materials. 1999. V. 11. № 1. P. 23-26. Lim W. K., Rösgen J., Englander S. W. Urea, but not Guanidinium, Destabilizes Proteins by Forming Hydrogen Bonds to the Peptide Group // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 2009. V. 106. P. 2595-2600.

Lin C., Liu Y., Rinker S., Yan H. DNA Tile Based Self-Assembly: Building Complex Nanoarchitectures // Chem. Phys. Chem. 2006. V. 7. P. 1641-1647. Lu C.W., Hung Y., Hsiao J.K., Yao M., Chung T.H., Lin Y.S., Wu S.H., Hsu S.C., Liu H.M., Mou C.Y., Yang C.S., Huang D.M., Chen Y.C. Bifunctional magnetic silica nanoparticles for highly efficient human stem cell labeling // Nano Lett. 2007. V. 7. P. 149-154.

Mason P. E., Neilson G. W., Dempsey C. E., Barnes A. C., Cruickshank J. M. The Hydration Structure of Guanidinium and Thiocyanate Ions: Implications for Protein Stability in Aqueous Solution // Proc. Natl. Acad. Sei. USA. 2003. V. 100. P.4557-^1561. Mattson S. The Pioneers of NMR and Magnetic Resonance in Medicine: The Story of MRI. New York: Bar-Ilan University Press, 1996.

Mcmillan R. A., Paavola C. D., Howard J., Chan S. L., Zaluzec N. J., Trent J. D. Ordered nanoparticle arrays formed on engineered chaperonin protein templates // Nat. Mater. 2002. V. 1. P. 247-252.

Mei Y., Li Y. L., Zeng J., Zhang J. Z. H. Electrostatic Polarization is Critical for the Strong Binding in Streptavidin-Biotin System // J. Comput. Chem. 2012. V. 33. P. 1374-1382.

Michalet X., Pinaud F.F., Bentolila L.A., Tsay J.M., Doose S., Li J.J., Sundaresan G., Wu A.M., Gambhir S.S., Weiss S. Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics // Science. 2005. V. 307, P. 538-544.

Mirkin C. A., Letsinger R. L., Mucic R. C., Storhoff J. J. A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic objects // Nature. 1996. V. 382. P. 607-609.

Mitkevich V.A., Schulga A.A., Ermolyuk Y.S., Lobachov V.M., Chekhov V.O., Yakovlev G.I., Hartley R.W., Nick Pace C., Kirpichnikov M.P., Makarov A.A. Thermodynamics of denaturation of complexes of barnase and binase with barstar // Biophys Chem. 2003. V. 105. P. 383-390.

Miyamoto S., Kollman P. A. Absolute and Relative Binding Free Energy Calculations of the Interaction of Biotin and Its Analogs with Streptavidin Using Molecular Dynamics/Free Energy Perturbation Approaches // Proteins. 1993. V. 16. P. 226—45. Moghimi S. M., Hunter A. C., Murray J. C. Long-Circulating and Target-Specific Nanoparticles: Theory to Practice // Pharmacol. Rev. 2001. V. 53. № 2. P. 283-318. Mornet S., Vasseur S., Grasset F., Duguet E. Magnetic nanoparticle design for medical diagnosis and therapy // J. Mater. Chem. 2004. V. 14. P. 2161-2175. Mucic R. C., Storhoff J. J., Mirkin C. A., Letsinger R. L. What Controls the Optical Properties of DNA-Linked Gold Nanoparticle Assemblies // J. Am. Chem. Soc. 1998. V. 120. P. 12674-12675.

Niemeyer C. M. Nanoparticles, Proteins, and Nucleic acids: Biotechnology Meets Materials Science // Angew. Chem. Int. Ed. 2001. V. 40. P. 4128^1158. Niemeyer C. M. Self-assembled nanostructures based on DNA: towards the development of nanobiotechnology // Curr. Opin. Chem. Biol. 2000. V. 4. P. 609-618.

96. Nikitin M., Gabbasov R., Cherepanov V., Chuev M., Polikarpov M., Panchenko V., Deyev S. Magnetic Nanoparticle Degradation in vivo Studied by Mossbauer Spectroscopy // AIP Conf. Proc. 2010. CP1311. 401-407.

97. Nikitin M. P., Torno M., Chen H., Rosengart A., Nikitin, P. I. Quantitative real-time in vivo detection of magnetic nanoparticles by their nonlinear magnetization // J. Appl. Phys. 2008. V. 103. P. 07A304.

98. Nikitin M. P., Vetoshko P. M., Brusentsov N. A., Nikitin P. I. Highly sensitive room-temperature method of non-invasive in vivo detection of magnetic nanoparticles // J. Magn. Magn. Mat. 2009. V. 321. P. 1658-1661.

99. Nikitin M.P., Zdobnova T.A., Lukash S.V., Stremovskiy O.A., Deyev S.M. Proteinassisted self-assembly of multifunctional nanoparticles // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010. V.107. 5827-5832.

100. Nikitin P. I., Vetoshko P. M., Ksenevich T. I. Magnetic Immunoassays // Sensor Letters. 2007. V. 5. P. 296-299.

101. Nôlting B., Salimi N., Guth U. Protein folding forces // J. Theor. Biol. 2008. V. 251. P. 331-347.

102. O'Brien E. P., Dima R. I.; Brooks B., Thirumalai D. Interactions between hydrophobic and ionic solutes in aqueous guanidinium chloride and urea solutions: Lessons for protein denaturation mechanism // J. Am. Chem. Soc. 2007. V. 129. P. 7346-7353.

103. Pardoe H., Chua-anusorn W., St Pierre T.G., Dobson J. Detection limits for ferrimagnetic particle concentrations using magnetic resonance imaging based proton transverse relaxation rate measurements // Phys. Med. Biol. 2003. V. 48. P. N89-N95.

104. Peng X., Qian X., Mao H., Wang A. Y., Chen Z., Nie S., Shin D. M. Targeted magnetic iron oxide nanoparticles for tumor imaging and therapy // Int. J. Nanomedicine. 2008. V. 3. № 3. P. 311-321.

105. Petri-Fink A., Hofmann H. Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles (SPIONs): From Synthesis to In Vivo Studies—A Summary of the Synthesis, Characterization, In Vitro and In Vivo Investigations of SPIONs With Particular Focus on Surface and Colloidal Properties // IEEE Transactions On Nanobioscience. 2007. V. 6. P. 289-297.

106. Polikarpov D.M., Gabbasov R.R., Cherepanov V.M., Chuev M.A., Korshunov V.A., Nikitin M.P., Deyev S.M., Panchenko V.Y. Biodégradation of Magnetic Nanoparticles in Rat Brain Studied by Mossbauer Spectroscopy // IEEE Trans. Magn. 2013. V.49. P. 436-439.

107. Predonzani A., Arnoldi F., Lopez-Requena A., Burrone O. R. In vivo site-specific biotinylation of proteins within the secretory pathway using a single vector system // BMC Biotechnol. 2008. V. 8. P. 41.

108. Prior T. I., FitzGerald D. J., Pastan I. Barnase Toxin: A New Chimeric Toxin Composed of Pseudomonas Exotoxin A and Barnase // Cell. 1991. V. 64. P. 1017-1023.

109. Protasevich I.I., Schulga A.A., Vasilieva L.I., Polyakov K.M., Lobachov V.M., Hartley R.W., Kirpichnikov M.P., Makarov A.A. Key role of barstar Cys-40 residue in the mechanism of heat denaturation of bacterial ribonuclease complexes with barstar // FEBS Lett. 1999. V. 445. P. 384-388.

110. Quarta A., Di Corato R., Manna L., Ragusa A., Pellegrino T. Fluorescent-magnetic hybrid nanostructures: preparation, properties, and applications in biology // IEEE Trans Nanobioscience. 2007. V. 6. P. 298-308.

111. Rayavarapu R.G., Petersen W., Ungureanu C., Post J.N., van Leeuwen T.G., Manohar S. Synthesis and bioconjugation of gold nanoparticles as potential molecular probes for light-based imaging techniques // Int. J. Biomed. Imaging. 2007. ID29817.

112. Rhyner M. N, Smith A. M, Gao X., Mao H., Yang L., Nie S. Quantum dots and multifunctional nanoparticles: new contrast agents for tumor imaging // Nanomedicine (Lond). 2006. V. 1. № 2. P. 209-217.

113. Rife J.C., Miller M.M., Sheehan P.E., Tamanaha C.R., Tondra M., Whitman L.J. Design and performance of GMR sensors for the detection of magnetic microbeads in biosensors // Sens. Actuators A Phys. 2003. V. 107. P. 209-218.

114. Rosi N. L., Mirkin C. A. Nanostructures in Biodiagnostics // Chem. Rev. 2005. V. 105. P. 1547-1562.

115. Rothemund P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns // Nature. 2006. V. 440. P. 297-302.

116. Samad A., Sultana Y., Aqil M. Liposomal drug delivery systems: an update review // Curr. Drug Deliv. 2007. V. 4. P. 297-305.

117. Schreiber G., Buckle A. M., Fersht A. R. Stability and function: two constraints in the evolution of barstar and other proteins // Structure. 1994. V. 2. P. 945-951

118. Schreiber G., Fersht A. R. Energetics of protein-protein interactions: Analysis of the Barnase-Barstar interface by single mutations and double mutant cycles // J. Mol. Biol. 1995. V. 248. P. 478—486.

119. Schreiber G., Fersht A. R., Rapid, electrostatically assisted association of proteins // Nat. Struct. Biol. 1996. V. 3. P. 427-431.

120. Schurig T., Drung D., Bechstein S., Beyer J., Ludwig F. High-Tc superconductor dc SQUIDs for unshielded operation and their applications // Physica C. 2002. V. 378. P. 1378-1384.

121. Semenyuk E. G., Stremovskiy O. A., Edelweiss E., Shirshikova O. V., Balandin T. G., Buryanov Ya. I., Deyev S. M. Expression of single-chain antibody-barstar fusion in plants // Biochimie. 2007. V. 89. P. 31-38.

122. Shenton W., Davies S. A., Mann S. Directed Self-assembly of Nanoparticles into Macroscopic Materials using Antibody-antigen Recognition // Adv. Mater. 1999. V. 11. P. 449-452.

123. Soltesz E.G., Kim S., Laurence R.G., DeGrand A.M., Parungo C.P., Dor D.M., Cohn L.H., Bawendi M.G., Frangioni J.V., Mihaljevic T. Intraoperative sentinel lymph node mapping of the lung using near-infrared fluorescent quantum dots // Ann. Thorac. Surg. 2005. V. 79. P. 269-77.

124. Spaar A., Dammer C., Gabdoulline R. R., Wade R. C., Helms V. Diffusional encounter of barnase and barstar // Biophys. J. 2006. V. 90. P. 1913-1924.

125. Storhoff J. J., Mirkin C. A. Programmed Materials Synthesis with DNA // Chem. Rev. 1999. V. 99. P. 1849-1862.

126. Storhoff J. J., Mucic R. C., Mirkin C. A. Strategies for organizing nanoparticles into aggregate structures and functional materials // J. Cluster Sci. 1997. V. 8. P. 179-216.

127. Sun C., Lee J.S., Zhang M. Magnetic nanoparticles in MR imaging and drug delivery // Adv. Drug Deliv. Rev. 2005. V. 60. P. 1252-1265.

128. Sun Y., Bai Y., Song D., Li X., Wang L., Zhang H. Design and performances of immunoassay based on SPR biosensor with magnetic microbeads // Biosens. Bioelectron. 2007. V. 23. P. 473-478.

129. Tao L., Hu W., Liu Y., Huang G., Sumer B.D., Gao J. Shape-specific polymeric nanomedicine: emerging opportunities and challenges // Exp. Biol. Med. (Maywood). 2011. V. 236. P. 20-29.

130. Tanford C. Protein denaturation // Adv. Protein Chem. 1968. V. 23. P. 121-282.

131. Temming K., Schiffelers R.M., Molema G., Kok R.J. RGD-based strategies for selective delivery of therapeutics and imaging agents to the tumour vasculature // Drug Resist. Updat. 2005. V. 8. P. 381-402.

132. Torchilin V. P. Multifunctional nanocarriers // Advanced Drug Delivery Reviews. 2006. V.58. P.1532-1555.

133. Tsybovsky Y. I., Shubenok D. V., Stremovskiy O. A., Deyev S. M., Martsev S. P. Folding and Stability of Chimeric Immunofiision VL-Barstar // Biochemistry (Moscow).

2004. V. 69. № 9. P. 939-948.

134. van Rijn P., Boker A. Bionanoparticles and hybrid materials: tailored structural properties, self-assembly, materials and developments in the field // J. Mater. Chem. 2011. V. 21. P. 16735-16747.

135. Veiseh O., Sun C., Gunn J., Kohler N., Gabikian P., Lee D., Bhattarai N., Ellenbogen R., Sze R., Hallahan A., Olson J., Zhang M. Optical and MRI multifunctional nanoprobe for targeting gliomas // Nano Lett 2005. V. 5. P. 1003-1008.

136. Wang J., Chen Y., Chen B., Ding J., Xia G., Gao C., Cheng J., Jin N., Zhou Y., Li X., Tang M., Wang X.M. Pharmacokinetic parameters and tissue distribution of magnetic Fe(3)0(4) nanoparticles in mice // Int. J. Nanomedicine. 2010. V. 5. P. 861-866.

137. Wang T., Tomic S., Gabdoulline R. R., Wade R. C. How Optimal Are the Binding Energetics of Barnase and Barstar // Biophys. J. 2004. V. 87. P. 1618-1630.

138. Weber P. C., Wendoloski J. J., Pantoliano M. W., Salemme F. R. Crystallographic and Thermodynamic Comparison of Natural and Synthetic Ligands Bound to Streptavidin // J. Am. Chem. Soc. 1992. V. 114. P. 3197-3200.

139. Whaley S. R., English D. S., Hu E. L., Barbara P. F., Belcher A. M. Selection of peptides with semiconductor binding specificity for directed nanocrystal assembly // Nature. 2000. V. 405. P. 665-666.

140. Whitesides G. M., Boncheva M. Beyond molecules: Self-assembly of mesoscopic and macroscopic components // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2002. V. 99. P. 4769^1774.

141. Whitesides G. M., Grzybowski B. A. Self-Assembly at all scales // Science. 2002. V. 295. P. 2418-2421.

142. Williams D. H., Stephens E., O'Brien D. P., Zhou M. Understanding Noncovalent Interactions: Ligand Binding Energy and Catalytic Efficiency from Ligand-Induced Reductions in Motion within Receptors and Enzymes // Angew. Chem. Int. Ed. 2004. V. 43. P. 6596-6616.

143. Wu X., Liu H., Liu J., Haley K. N., Treadway J. A., Larson J. P., Ge N„ Peale F„ Bruchez M. P. Immunofluorescent labeling of cancer marker Her2 and other cellular targets with semiconductor quantum dots //Nat. Biotechnol. 2003. V. 21. P. 41—46.

144. Xie H.Y., Zuo C., Liu Y., Zhang Z.L., Pang D.W., Li X.L., Gong J.P., Dickinson C., Zhou W. Cell-targeting multifunctional nanospheres with both fluorescence and magnetism // Small. 2005. V. 1. P. 506-509.

145. Xu X. Y., Rosi N. L., Wang Y. H., Huo F. W., Mirkin C. A. Asymmetric functionalization of gold nanoparticles with oligonucleotides // J. Am. Chem. Soc. 2006. V. 128. P. 9286-9287.

146. Yi C., Liu D., Yang M. Building Nanoscale Architectures by Directed Synthesis and Self-Assembly // Curr. Nanosci. 2009. V. 5. P. 75-87.

147. Yoon T.J., Yu K.N., Kim E., Kim J.S., Kim B.G., Yun S.H., Sohn B.H., Cho M.H., Lee J.K., Park S.B. Specific targeting, cell sorting, and bioimaging with smart magnetic silica core-shell nanomaterials // Small. 2006. V. 2. P. 209-215.

148. Zdobnova T. A., Dorofeev S. G., Tananaev P. N., Vasiliev R. B., Balandin T. G., Edelweiss E. F., Stremovskiy O. A., Balalaeva I. V., Turchin I. V., Lebedenko E. N., Deyev S. M. Fluorescent immunolabeling of cancer cells by quantum dots and antibody scFv fragment // J. Biomed. Opt. 2009. V. 14. № 2. P. 021004.

149. Zebli B., Susha A. S., Sukhorukov G. B., Rogach A. L., Parak W. J. Magnetic targeting and cellular uptake of polymer microcapsules simultaneously functionalized with magnetic and luminescent nanocrystals // Langmuir. 2005. V. 21. P. 4262-4265.

150. Zhang L., Gu F. X., Chan J. M., Wang A. Z., Langer R. S., Farokhzad O. C. Nanoparticles in Medicine: Therapeutic Applications and Developments // Clin. Pharmacol. Ther. 2008. V. 83. P. 761-769.