Подход позволяет изучать свойства особых бактериальных органелл – магнитосом, которые являются биосовместимыми наночастицами перспективными для таргетной доставки медицинских препаратов.
15.03.2023
Бактерии являются одной из древнейших форм жизни на Земле, они играют важную роль в круговороте веществ в природе, способны выжить в экстремальных условиях и поддерживают полезную микрофлору других живых организмов. С одной стороны, некоторые виды бактерий выступают в качестве патогенов: они являются возбудителями социально опасных заболеваний, среди которых туберкулез, чума, проказа, сибирская язва и холера. С другой стороны, человечество уже много лет успешно использует уникальные свойства микроорганизмов для получения лекарственных препаратов, защиты растений и разложения загрязнителей.
Еще одно удивительное свойство некоторых бактерий, обнаруженное несколько десятилетий назад – это способность двигаться, используя для ориентации магнитное поле (магнитотаксис). Такие бактерии называются магнитотактическими. Обычно они обитают на дне водоемов на границе воды и грунта. В клетках этих микроорганизмов находятся наноразмерные частицы – магнетосомы, содержащие в себе кристалл магнетита (оксида железа). Основная гипотеза о роли магнетосом предполагает, что бактерии при попадании в губительные для них слои воды, насыщенные кислородом, могут при помощи этих органелл ориентироваться в магнитном поле Земли и перемещаться, используя имеющиеся у них флагеллы (жгутики), по магнитным силовым линиям в более комфортную для жизни среду.
Сегодня исследователи из разных стран рассматривают магнитотактических бактерий в качестве перспективного источника для получения биосовместимых магнитных наночастиц. Однако большинство видов этих микроорганизмов размножаются крайне медленно, поэтому научные группы из разных стран ведут поиски наиболее эффективных видов и штаммов таких бактерий и способов их культивирования.
«Обычно для того, чтобы изучать магнетосомы, требуется извлечь из микроорганизмов эти органеллы и подготовить лиофилизированные образцы, а это может повлиять на их свойства и на достоверность результатов экспериментов. Для решения этой проблемы мы впервые применили метод, который позволяет изучать магнитные свойства бактерий в естественном состоянии, не разрушая их клетки».
Экспериментальные данные о свойствах магнитотактических бактерий были получены с помощью установки продольного нелинейного отклика на слабое переменное магнитное поле в присутствии постоянного, созданной группой ученых из НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ. С ее помощью можно изучать сигналы от магнетосом даже небольших проб микроорганизмов в среде для культивирования. Обработка полученных результатов на суперкомпьютере ПИЯФ с применением специального программного обеспечения позволила разделить сигналы от разных видов образуемых магнетосомами в бактериях структур.
Это, прежде всего, цепочки магнетосом, прикрепленные к внутренней поверхности оболочки клетки, которые обеспечивают ориентацию бактерии вдоль магнитной силовой линии (как стрелки компаса), а также отдельные магнетосомы и их агрегаты, отличающиеся по величине магнитного момента и магнитной анизотропии, т.е. фактически по форме образуемых магнетосомами структур (цепочки, близкие к сферическим и т.д.). Была определена также концентрация данных фракций наночастиц в исследовавшихся образцах. В ходе экспериментов изучалась серия образцов шести штаммов Magnetospirillum spp. как свежевыращенных, так и после длительного хранения. Для получения дополнительной визуальной информации о форме образуемых магнетосомами структур, ученые использовали традиционные методы электронной и атомно-силовой микроскопии. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Applied Sciences.
«Предложенный подход позволил нам получить информацию о магнитных и динамических параметрах и о состоянии магнетосом внутри магнитотактических бактерий. В перспективе МТБ могут стать эффективным источником биосовместимых магнитных наночастиц биогенного происхождения для нужд био- наномедицины. Эти частицы, как и химически синтезированные, могут использоваться в тераностике, обеспечивая в случае их таргетной доставки возможность ранней магнитно-резонансной диагностики злокачественных новообразований с одновременной терапией опухоли за счет доставки лекарственных препаратов».
Он уточнил, что наиболее перспективным представляется использование магнетосом для физиотерапевтических вариантов лечения онкопатологий, в которых используется, например, эффект гипертермии. В этом случае при воздействии на локализованные в опухоли магнетосомы переменным магнитным полем из-за тепловых потерь на петле гистерезиса кривой намагничения ансамбля магнетосом в опухоли нагревается их магнитное ядро и происходит нагрев опухолевой ткани. Поскольку опухолевые клетки, в отличие от нормальных, погибают при 42ОС, это сопровождается некрозом опухоли.
Проект в области изучения магнитных наночастиц, получаемых из бактерий, является частью большой работы ученых кафедры МНЭ по исследованию миниатюрных носителей для адресной доставки лекарств и средств диагностики заболеваний. Например, ранее специалисты из ЛЭТИ повысили эффективность синтеза магнитных наночастиц медицинского назначения, которые состоят из эпсилон-оксида железа.
