Синтез та властивості магніточутливих поліфункціональних нанокомпозитів для застосування в онкології

  • M. V. Abramov Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • A. P. Kusyak Житомирський державний університет ім. Івана Франка
  • O. M. Kaminskiy Житомирський державний університет ім. Івана Франка
  • S. P. Turanska Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • A. L. Petranovska Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • N. V. Kusyak Житомирський державний університет ім. Івана Франка
  • P. P. Gorbyk Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
Ключові слова: магнетит, магніточутливі нанокомпозити, адсорбція, цисплатин, доксорубіцин, магнітні рідини, розмірні параметри наноструктур

Анотація

Наведено результати досліджень, спрямованих на розвиток концепції створення магніточутливих нанокомпозитів (НК) з багаторівневою ієрархічною наноархітектурою та функціями медико-біологічних нанороботів. Синтезовані нанорозмірний магнетит в однодоменному стані і магніточутливі НК на його основі (Fe3O4/дімеркаптосукцинова кислота (ДМСК), Fe3O4/γ-амінопропілсилоксан (γ-АПС), Fe3O4/поліакриламід (ПАА), Fe3O4/гідроксиапатит (ГА), Fe3O4/SiO2, Fe3O4/TiО2, Fe3O4/Al2О3). Отримано ізотерми і вивчено кінетику адсорбції цисплатину в залежності від хімічної природи поверхні наноструктур. Досліджено процеси адсорбції доксорубіцину (ДР) на поверхні НК Fe3O4/ГА з розчину у фізіологічній рідині. Виготовлено та досліджено магнітні рідини, що містять НК Fe3O4/ГА/ДР. Використовуючи ансамбль носіїв Fe3O4  як суперпарамагнітний зонд та теорію парамагнетизму Ланжевена, оцінено розмірні параметри їх оболонки, що підтверджено незалежними вимірюваннями питомої площі поверхні наноструктур та термодинамічної седиментаційної стійкості відповідних магнітних рідин. Отримані результати можуть бути використані при розробках нових форм магнітокерованих лікарських засобів спрямованої доставки і адсорбентів на основі НК типу суперпарамагнітне ядро-оболонка з багаторівневою наноархітектурою та для визначення, контролю і оптимізації розмірних параметрів її компонентів.

Посилання

1. Levy L., Sahoo Y., Kyoung-Soo Kim, Earl Bergey J., Prasad P. Nanochemistry:  Synthesis and characterization of multifunctional nanoclinics for biological applications. Chem. Mater. 2002. 14(9): 3715. https://doi.org/10.1021/cm0203013

2. Shpak A.P., Gorbyk P.P. Nanomaterials and Supramolecular Structures: Physics, Chemistry, and Applications. (Springer, 2009).

3. Gorbyk P.P., Chekhun V.F. Nanocomposites of medicobiologic destination: reality and perspectives for oncology. Funct. Mater. 2012. 19(2): 145.

4. Gorbik P.P. Nanokompozyty z funktsiyamy medyko-biolohichnykh nanorobotiv: syntez, vlastyvosti, zastosuvannya. Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies. 2013. 11(2): 323. [in Ukrainian].

5. Gorbyk P.P., Lerman L.B., Petranovska A.L., Turanska S.P. Magnetosensitive nanocomposites with functions of medico-biological nanorobots: Synthesis and properties. In: Advances in Semiconductor Research: Physics of Nanosystems, Spintronics and Technological Applications. (New York: Nova Science Publishers, 2014).

6. Gorbyk P.P., Lerman L.B., Petranovska A.L., Turanska S.P., Pylypchuk Ie.V. Magnetosensitive nanocomposites with hierarchical nanoarchitecture as biomedical nanorobots: synthesis, properties, and application. In: Fabrication and Self-Assembly of Nanobiomaterials, Applications of Nanobiomaterials. (Elsevier, 2016). https://doi.org/10.1016/B978-0-323-41533-0.00010-6

7. Wahajuddin S.A. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles: magnetic nanoplatforms as drug carriers. Int. J. Nanomedicine. 2012. 7: 3445. https://doi.org/10.2147/IJN.S30320

8. Huang C., Zhou Y., Tang Z., Guo X., Qian Z., Zhou S. Synthesis of multifunctional Fe3O4 core/hydroxyapatite shell nanocomposites by biomineralization. Dalton Trans. 2011. 40(18): 5026. https://doi.org/10.1039/c0dt01824d

9. Mastai Y., Iwasaki T. Mechanochemical synthesis of magnetite/hydroxyapatite nanocomposites for hyperthermia. Materials Science - Advanced Topics. 2013. Chapter 8: 175.

10. Gopi D., Thameem Ansari M., Shinyjoy E., Kavitha L. Synthesis and spectroscopic characterization of magnetic hydroxyapatite nanocomposite using ultrasonic irradiation. Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. 2012. 87: 245. https://doi.org/10.1016/j.saa.2011.11.047

11. Mir A., Mallik D., Bhattacharyya S., Mahata D., Sinha A., Nayar S. Aqueous ferrofluids as templates for magnetic hydroxyapatite nanocomposites. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 2010. 21(8): 2365. https://doi.org/10.1007/s10856-010-4090-9

12. Feng C., Chao L., Ying-Jie Z., Xin-Yu Zhao, Bing-Qiang L., Jin W. Magnetic nanocomposite of hydroxyapatite ultrathin nanosheets/Fe3O4 nanoparticles: microwave-assisted rapid synthesis and application in pH-responsive drug release. Biomater. Sci. 2013. 1(10): 1074. https://doi.org/10.1039/c3bm60086f

13. Davaran S., Alimirzalu S., Nejati-Koshki K., Nasrabadi H.T., Akbarzadeh A., Khandaghi A.A., Abbasian M., Alimohammadi S. Physicochemical characteristics of Fe3O4 magnetic nanocomposites based on poly(N-isopropylacrylamide) for anti-cancer drug delivery. Asian. Pac. J. Cancer Prev. 2014. 15(1): 49. https://doi.org/10.7314/APJCP.2014.15.1.49

14. Petranovska A.L., Abramov N.V., Turanska S.P., Gorbyk P.P., Kaminskiy A.N., Kusyak N.V. Adsorption of cis-dichlorodiammineplatinum by nanostructures based on single-domain magnetite. J. Nanostruct. Chem. 2015. 5(3): 275. https://doi.org/10.1007/s40097-015-0159-9

15. Abramov N.V., Turanska S.P., Kusyak A.P., Petranovska A.L., Gorbyk P.P. Synthesis and properties of magnetite/hydroxyapatite/doxorubicin nanocomposites and magnetic fluids based on them. J. Nanostruct. Chem. 2016. 6(3): 223. https://doi.org/10.1007/s40097-016-0196-z

16. Anirudhan T.S., Sandeep S. Synthesis, characterization, cellular uptake and cytotoxicity of a multi-functional magnetic nanocomposite for the targeted delivery and controlled release of doxorubicin to cancer cells. J. Mater. Chem. 2012. 22(25): 12888. https://doi.org/10.1039/c2jm31794j

17. Sadighian S., Hosseini-Monfared H., Rostamizadeh K., Hamidi M. pH-Triggered magnetic-chitosan nanogels (MCNs) for doxorubicin delivery: physically vs. chemically cross linking approach. Adv. Pharm. Bull. 2015. 5(1): 115.

18. http://www.rlsnet.ru/mnn_index_id_512.htm

19. Doxorubicin hydrochloride. European Pharmacopoeia. 6th Edition. 2005. P. 1389.

20. Shuai-Jun Chen, Hong-Zheng Zhang, Liang-Cai Wan, Shan-Shan Jiang, Yi-Ming Xu, Fang Liu, Tao Zhang, Dong Ma, Min-Qiang Xie. Preparation and performance of a pH-sensitive cisplatin-loaded magnetic nanomedicine that targets tumor cells via folate receptor mediation. Mol. Med. Rep. 2016. 13(6): 5059. https://doi.org/10.3892/mmr.2016.5154

21. Sakellari D., Mathioudaki S., Kalpaxidou Z., Simeonidis K., Angelakeris M. Exploring multifunctional potential of commercial ferrofluids by magnetic particle hyperthermia. J. Magn. Magn. Mater. 2015. 380: 360. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.10.042

22. Ahmed R.M., Fadel M., Hanafy M.S., Ibrahim M.A. Characterization and dielectric properties of magnetic nanoparticles (Ferrofluid) conjugated with chemotherapy drug for medical application. IOSR J. Appl. Phys. 2014. 6(1): 38. https://doi.org/10.9790/4861-06123846

23. Dave P.N., Chopda L.V. Application of iron oxide nanomaterials for the removal of heavy metals. J. Nanotechnol. 2014. 2014: Article ID 398569.

24. Sadegh H., Ali G.A.M., Gupta V.K., Makhlouf A.S.H., Shahryari-Ghoshekandi R., Nadagouda M.N., Sillanpa M., Megiel E. The role of nanomaterials as effective adsorbents and their applications in wastewater treatment. J. Nanostruct. Chem. 2017. 7(1): 1. https://doi.org/10.1007/s40097-017-0219-4

25. Borisenko N.V., Bogatyrev V.M., Dubrovin I.V., Abramov N.V., Gaevaya M.V., Gorbik P.P. Sintez i svoystva magnitochuvstvitel'nykh nanokompozitov na osnove oksidov zheleza i kremniya. V. 1. In: Fiziko-khimiya nanomaterialov i supramolekulyarnykh struktur. (Kyiv: Naukova dumka, 2007). [in Russian].

26. Turanska S.P., Kusyak A.P., Petranovska A.L., Gorobez' S.V., Turov V.V., Gorbyk P.P. Cytotoxic activity of magnet-quided doxorubicin-based nanocomposites with Saccharomyces cerevisiae cells as an example. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2016. 7(2): 236. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp07.02.236

27. Kusyak A.P., Petranovska A.L., Turanska S.P., Gorbyk P.P. Adsorbtsiya kompleksiv tsys-dykhlordiaminplatyny nanokompozytamy mahnetyt–oksyd kremniyu (tytanu, alyuminiyu). Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies. 2014. 12(3): 451. [in Ukrainian].

28. Semko L.S., Horbik P.P., Storozhuk L.P., Dzyubenko L.S., Dubrovin IV, Oranskaya O.I. Modyfikuvannya mahnetytu dioksydom kremniyu. Phys. Chem. Solid State. 2007. 8(3): 526. [in Ukrainian].

29. Semko L.S., Gorbik P.P., Chuiko O.O., Storozhuk L.P., Dubrovin IV, Oranskaya O.I., Revo S.L. Modyfikuvannya mahnetytu dioksydom tytanu ta vlastyvosti oderzhanykh nanokompozytiv. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine. 2007. 2: 150. [in Ukrainian].

30. Petranovskaya A.L., Usov D.G., Abramov N.V., Demchenko Yu.O., Korduban O.M. Modifitsirovaniye poverkhnosti nanokristallicheskogo magnetita izopropilatom alyuminiya. Collection "Chemistry, Physics and Surface Technology". 2007. 13: 310. [in Russian].

31. Turova N.Ya., Kozunov V.A. Russ. J. Coord. Chem. 1978. 4: 15. [in Russian].

32. Penkosʹ R. Alkogolyaty alyuminiya. Uspekhi Khimii. 1968. 37(4): 647. [in Russian].

33. Ivanova V.M., Kalinina V.N., Neshumova L.A., Reshetnikova I.O. Matematicheskaya statistika. (Moscow: Vysshaya shkola, 1975). [in Russian].

34. Abramov N.V., Gorbyk P.P. Properties of ensembles of nano particles of magnetite, which are part of magnetic fluid designed for use in cancer therapy. Surface. 2012. 4(19): 246. [in Russian].

35. Rosenzweig R. Ferrohydrodynamics. (Moscow: Mir, 1989). [in Russian].

36. Shtrikman S., Wohlfarth E.P. The theory of the Vogel–Fulcher law of spin glasses. Phys. Lett. A. 1981. 85(8–9): 467. https://doi.org/10.1016/0375-9601(81)90441-2

37. Kim T., Reis L., Rajan K., Shima M. Magnetic behavior of iron oxide nanoparticle–biomolecule assembly. J. Magn. Magn. Mater. 2005. 295(2): 132. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2005.01.004

38. Shliomis M.I. Magnetic fluids. Sov. Phys. Usp. 1974. 17: 153. https://doi.org/10.1070/PU1974v017n02ABEH004332

39. Fertman V.E. Magnetic fluids. (Minsk: Vysshaya shkola, 1988). [in Russian].

40. Kim T., Shima M. Reduced magnetization in magnetic oxide nanoparticles. J. Appl. Phys. 2007. 101: 09M516.

41. Chuiko O.O. Khimiya poverkhnosti kremnezema. V. 1. (Kyiv: UkrINTEI, 2001). [in Russian].

42. Yantasee W., Warner C.L., Sangvanich T., Addleman R.S., Carter T.G., Wiacek R.J., Fryxell G.E., Timchalk C., Warner M.G. Removal of heavy metals from aqueous systems with thiol functionalized superparamagnetic nanoparticles. Environ. Sci. Technol. 2007. 41(14): 5114. https://doi.org/10.1021/es0705238

43. Volkov V.A. Kolloidnaya khimiya. Poverkhnostnyye yavleniya i dispersnyye sistemy. (Moscow: Lan', 2015). [in Russian].

44. Goon I.Y., Zhang C., Lim M., Gooding J.J., Amal R. Controlled fabrication of polyethylenimine-functionalized magnetic nanoparticles for the sequestration and quantification of free Cu2+. Langmuir. 2010. 26(14): 12247. https://doi.org/10.1021/la101196r

45. Liang B. Adsorption characteristics of Hg2+ ions using Fe3O4/chitosan magnetic nanoparticles. Adv. Mater. Res. 2011. 291–294: 72.

46. Wang J., Zheng S., Shao Y., Liu J., Xu Z., Zhu D. Amino-functionalized Fe3O4@SiO2 core-shell magnetic nanomaterial as a novel adsorbent for aqueous heavy metals removal. J. Colloid Interface Sci. 2010. 349(1): 293. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2010.05.010

47. Park M., Seo S., Lee I.S., Jung J.H. Ultraefficient separation and sensing of mercury and methylmercury ions in drinking water by using aminonaphthalimide-functionalized Fe3O4@SiO2 core/shell magnetic nanoparticles. Chem. Commun. 2010. 46(25): 4478. https://doi.org/10.1039/c002905j

48. Weng C.-H., Lin Y.-T., Yeh C.-L., Sharma Y.C. Magnetic Fe3O4 nanoparticles for adsorptive removal of acid dye (new coccine) from aqueous solutions. Water Sci. Technol. 2010. 62(4): 844. https://doi.org/10.2166/wst.2010.310

49. Thio B.J., Clark K.K., Keller A.A. Magnetic pollen grains as sorbents for facile removal of organic pollutants in aqueous media. J. Hazard. Mater. 2011. 194: 53. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.07.070

50. Yu C.-J., Lin C.-Y., Liu C.H., Cheng T.L., Tseng W.L. Synthesis of poly(diallyldimethylammonium chloride)-coated Fe3O4 nanoparticles for colorimetric sensing of glucose and selective extraction of thiol. Biosens. Bioelectron. 2010. 26(2): 913. https://doi.org/10.1016/j.bios.2010.06.069

51. Qiu J.D., Peng H.P., Liang R.P., Xia X.H. Facile preparation of magnetic core-shell Fe3O4@Au nanoparticle/myoglobin biofilm for direct electrochemistry. Biosens. Bioelectron. 2010. 25(6): 1447. https://doi.org/10.1016/j.bios.2009.10.043

52. Gu L., Park J.H., Duong K.H., Ruoslahti E., Sailor M.J. Magnetic luminescent porous silicon microparticles for localized delivery of molecular drug payloads. Small. 2010. 6(22): 2546. https://doi.org/10.1002/smll.201000841

53. Ma Y., Manolache S., Denes F., Vail D., Thamm D., Kurzman I. Plasma synthesis of carbon-iron magnetic nanoparticles and immobilization of doxorubicin for targeted drug delivery. J. Mater. Eng. Perform. 2006. 15(3): 376. https://doi.org/10.1361/105994906X113705

54. Zhu A., Yuan L., Jin W., Dai S., Wang Q., Xue Z., Qin A. Polysaccharide surface modified Fe3O4 nanoparticles for camptothecin loading and release. Acta Biomater. 2009. 5(5): 1489. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2008.10.022

55. Skvortsov A.N. Efficient method of analysis of optical spectra from kinetic studies. Tsitologiya. 2009. 51(3): 229. [in Russian].

56. Raghavan R., Cheriyamundath S., Madassery J. Dimethyl sulfoxide inactivates the anticancer effect of cisplatin against human myelogenous leukemia cell lines in in vitro assays. Indian J. Pharmacol. 2015. 47(3): 322. https://doi.org/10.4103/0253-7613.157132

57. Silva P.P., de Paula F.C.S., Guerra W., Silveira J.N., Botelho F.V., Vieira L.Q., Bortolotto T., Fischer F.L., Bussi G., Terenzi H., Pereira-Maia E.C. Platinum(II) compounds of tetracyclines as potential anticancer agents: cytotoxicity, uptake and interactions with DNA. J. Braz. Chem. Soc. 2010. 21(7). https://doi.org/10.1590/S0103-50532010000700011

58. Gorbik P.P., Turov V.V. Nanomaterialy i nanokompozity v meditsine, biologii, ekologii. (Kyiv: Naukova Dumka, 2011). [in Russian].

59. Bruijnincx P.C., Sadler P.J. New trends for metal complexes with anticancer activity. Curr. Opin. Chem. Biol. 2008. 12(2): 197. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2007.11.013

60. Biswanath Kundu, Debasree Ghosh, Mithlesh Kumar Sinha, Partha Sarathi Sen, Vamsi Krishna Balla, Nirmalendu Das, Debabrata Basu Doxorubicin-intercalated nano-hydroxyapatite drug-delivery system for liver cancer: An animal model. Ceram. Int. 2013. 39(8): 9557. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.05.074

61. Saenko Yu.V., Shutov A.M., Rastorgueva E.V. Doxorubicin and menadione reduce cell proliferation of Saccharomyces cerevisiae by different mechanisms. Tsitologiya. 2010. 52(5): 407. [in Russian].

62. Babaeva I.P., Chernov I.Yu. Biologiya drozhzhey. (T-vo Nauch. Izd. KMK, 2004). [in Russian].

63. Turov V.V., Gun'ko V.M. Klasterizovannaya voda i puti yeye ispol'zovaniya. (Kyiv: Naukova Dumka, 2011). [in Russian].

64. Sun S., Zeng H., Robinson D.B. Monodispersed MFe2O4 (M = Fe, Co, Mn) nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 2004. 126(1): 73. https://doi.org/10.1021/ja0380852

65. Berkovsky B.M., Medvedev V.F., Krakow M.S. Magnetic fluids. (Moscow: Khimiya, 1989). [in Russian].

66. Mornet S., Vasseur S., Grasset F., Veverka P., Goglio G., Demourgues A., Portier J., Pollert E., Duguet E. Magnetic nanoparticle design for medical applications. Prog. Solid State Chem. 2006. 34(2–4): 237. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2005.11.010

67. Abramov N.V. Magnetic fluid doxorubicin-based for application in cancer therapy. Surface. 2014. 6(21): 241. [in Russian].

68. Frolov Yu.G. Course of Colloid Chemistry. (Moscow: Khimiya, 1989). [in Ukrainian].

69. Chen D.-X., Sun N., Gu H.-C. Size analysis of carboxydextran coated superparamagnetic iron oxide particles used as contrast agents of magnetic resonance imaging. J. Appl. Phys. 2009. 106: 063906. https://doi.org/10.1063/1.3211307

70. Patent UA 112490. Chekhun V.F., Luk'yanova N.Yu., Gorbik P.P., Todor I.M., Petranovska A.L., Boshitska N.V., Bozhko I.V. Protypukhlynnyy feromahnitnyy nanokompozyt. 2016. [in Ukrainian].

Опубліковано
2017-10-08
Як цитувати
Abramov, M. V., Kusyak, A. P., Kaminskiy, O. M., Turanska, S. P., Petranovska, A. L., Kusyak, N. V., & Gorbyk, P. P. (2017). Синтез та властивості магніточутливих поліфункціональних нанокомпозитів для застосування в онкології. Поверхня, (9(24), 165-198. https://doi.org/10.15407/Surface.2017.09.165
Розділ
Медико-біологічні проблеми поверхні