Корейские ученые получили наночастицы диоксида церия с поверхностным слоем смешанного оксида марганца, который обеспечивает повышенную каталитическую активность против реакционноспособных кислородных частиц — одного из косвенных механизмов воздействия радиации на живые организмы. Полученные наночастицы биосовместимы и повысили уровень выживания мышей после высокой дозы радиации до 67 процентов. Статья опубликована в журнале Advanced Materials.
Одно из воздействий радиации на живые организмы — радиолиз воды, в ходе которого образуются реакционноспособные кислородные частицы (например, O2-, H2O2 и радикалы OH.). Эти частицы могут окислять органические молекулы, разрушая живые ткани. При резкой дозировке облучения, превышающей шесть грей, большинство случаев заканчивалось смертью пациента в течение трех недель. Существующие противорадиационные препараты, например, амифостин, быстро выводятся из организма и в малой степени способны сдерживать кислородные частицы, из-за чего приходится использовать высокие дозы, оказывающие негативные побочные эффекты. А потому ученые пытаются искать новые нетоксичные препараты длительного действия с высокой антиоксидантной способностью.
В последние годы ученые обратили пристальное внимание на неорганические наноматериалы с антиоксидантными свойствами — оксиды церия, марганца и ванадия. Они уже хорошо себя зарекомендовали в использовании против реакционноспособных кислородных частиц — например, наночастицы Mn3O4 справились с воспалением в мышином ухе. Такая каталитическая способность обусловлена легким переходом между стабильными степенями окисления переходных металлов. Для того, чтобы увеличить каталитическую способность антиоксидантов, ученые вводят дополнительные лиганды или увеличивают механические напряжения на поверхности. Последний подход значительно улучшает каталитические свойства металлических наночастиц с архитектурой ядро-оболочка.
Группа корейских ученых из Национального университета Сеула под руководством Кхюнпё Парка (Kyungpyo Park) и Тэхвана Хёна (Taeghwan Hyeon) получила наночастицы оксида церия с поверхностным слоем смешанного оксида марганца (II, III) и использовала их для защиты тканей мыши от воздействия радиации. Такие частицы сохранили жизнь 67 процентам мышей, облученных радиацией с дозой в 13 грей.
Для получения наночастиц исследователи использовали затравочные кристаллы диоксида церия. Их погрузили в раствор хлорида марганца — на поверхности начиналась реакция окислительного замещения. Церий частично восстанавливался до степени окисления +3, а марганец окислялся до +3, что и приводило к образованию слоя оксида марганца на поверхности нанокристаллов. Чтобы использовать такие частицы в организме, ученые покрыли фосфолипидом полиэтиленгликоля.
Изучив содержание марганца на поверхности наночастиц с помощью атомной-эмиссионной спектроскопии, ученые пришли к выводу, что у поверхности сосредоточены ионы Ce4+ и Mn2+, так как они лучшим образом соотносятся по размеру, а из-за несовпадения по параметру кристаллической решетки в слоях оксида марганца возникают механические напряжения, приводящие к дефектам в кристаллической решетке. Основной тип дефектов в таких структурах — кислородные вакансии, с помощью которых и происходит подавление реакционноспособных кислородных частиц.
Перед проверкой радиозащитных свойств на мышах исследователи провели испытания на человеческих и мышиных кишечных стволовых клетках. В первую очередь в ходе облучения нужно защитить белок LGR5+, который ответственен за восстановление клетки после радиационного воздействия. До облучения в контрольной группе мышиных клеток находилось 14 процентов LGR5-положительных клеток, после воздействия радиации практически все они были уничтожены (0,17 процента), однако при введении в клетки наночастиц CeO2-Mn3O4 9,78 процентов клеток с LGR5 оставались в живых. Облучая человеческие кишечные стволовые клетки, ученые подтвердили, что концентрация реакционноспособных кислородных частиц значительно сокращается при введении наночастиц внутрь клеток. А через 24 часа после облучения в защищенных клетках апоптоз протекал лишь на периферии в отличие от незащищенных клеток.
Чтобы установить взаимосвязь между реакционноспособными кислородными частицами и процессами апоптоза, биологи провели анализ митохондриальной РНК через 12 часов после облучения. В защищенных наночастицами клетках изменений в экспрессии генов оказалось гораздо меньше. В первую очередь увеличилась экспрессия генов, отвечающих за клеточный стресс, разрушение ДНК и апоптоз, а уменьшилась экспрессия генов, отвечающих за митоз и сигнальный путь Wnt. В каждом случае наночастицы в клетках снижали количество генов с измененной экспрессией.
Для проверки биосовместимости наночастиц ученые вводили их в ткани кишечника, почек, селезенки, печени, сердца, легких и мочевого пузыря — никаких гистологических отклонений не обнаружилось. А также после введения большой дозы наночастиц (50 миллиграмм на килограмм веса) потери массы обнаружено не было в течение 30 дней. Таким образом ученые доказали отсутствие систематической токсичности наночастиц.
После испытаний токсичности и радиационной защиты клеток исследователи опробовали наночастицы на живых мышах. Одной группе они вводили внутрибрюшно наночастицы с концентрацией 0,55 миллиграмм на килограмм веса, другой группе вводили только наночастицы оксида церия, а третьей только наночастицы оксида марганца. Чтобы сравнить свой препарат с используемым амифостином, ученые добавили еще две группы мышей, которым давали высокую и низкую дозу амифостина (Стоит заметить, что шесть мышей с высокой дозой амифостина погибли еще до облучения от побочных эффектов амифостина). Шестая же группа была контрольной — им ничего не вводили.
После предобработки мышей подвергали радиационному облучению с полученной дозой в 13 грей. После обучения все незащищенные мыши умерли в течение 13 дней, у мышей, защищенных отдельными наночастицами церия или марганца, уровень выживания составил 20-30 процентов, у мышей с низкой дозой амифостина — 10 процентов, с высокой — две из четырех мышей остались в живых. При этом из мышей, обработанных смешанными наночастицами, в живых осталось шесть из девяти. Более того, после 150 дней состояние их тканей не отличалось от контрольной группы мышей, которых не облучали. Таким образом ученые доказали, что антиоксидантные наночастицы благодаря повышенной каталитической способности задерживать реакционноспособные кислородные частицы защищают от пагубного воздействия радиации.
Радиация — одна из проблем покорения космоса. Но у природы и на это нашлось решение: так в прошлом году исследователи обнаружили, что плесень выживает даже с дозой в 500 грей, что выше смертельной дозы для человека в сто раз. При этом в прошлом году у человека нашли те же белки, что ответственны за радиационную защиту тихоходок, позволяющие ей выдерживать до тысячи смертельных доз человека. О том, что будет с Вами при облучении различными дозами, можете прочитать в нашем материале — «Шаги полураспада».
Артем Моськин