Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)

Для цитирования:

Гуляев Ю. В., Черепенин В. А., Таранов И. В., Вдовин В. А., Ярославов А. А., Кравцов И. Д., Григорян И. В., Кокшаров Ю. А., Хомутов Г. Б. Изменения структуры и проницаемости липидных мембран под действием наночастиц и импульсного электромагнитного воздействия // Известия вузов. ПНД. 2025. Т. 33, вып. 5. С. 709-730. DOI: 10.18500/0869-6632-003184, EDN: AIMACM

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF and_2025-5_gulyaev_cherepenin_et-al_709-730.pdf
(загрузок: 0)
Полный текст в формате PDF(En):
Иконка PDF and_2025_5_gulyaev_cherepenin_en.pdf
(загрузок: 0)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Новое в прикладной физике
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182
DOI: 
10.18500/0869-6632-003184
EDN: 
AIMACM

Изменения структуры и проницаемости липидных мембран под действием наночастиц и импульсного электромагнитного воздействия

Авторы: 
Гуляев Юрий Васильевич, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Черепенин Владимир Алексеевич, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Таранов Игорь Владимирович, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Вдовин Владимир Александрович, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Ярославов Александр Анатольевич, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ)
Кравцов Игорь Дмитриевич, Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Григорян Илья Валентинович, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ)
Кокшаров Юрий Алексеевич, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ)
Хомутов Геннадий Борисович, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ)
Аннотация: 

Работа посвящена разработке эффективных и безопасных биосовместимых средств и методов инкапсуляции, адресной доставки и контролируемого высвобождения лекарственных препаратов в водных средах, в том числе в живых системах. Для капсулирования лекарственных соединений в коллоидные носители использовались оригинально созданные наноструктурированные биомиметические липидные мембранные везикулы - нанокомпозитные липосомы, мембраны которых функционализированы наночастицами магнетита и золота. Для решения проблемы безопасного контролируемого высвобождения капсулированного вещества в водные среды разработан подход, основанный на использовании мощных ультракоротких электрических импульсов (УКЭИ) длительностью менее 10 нс, обеспечивающих нетермический эффект селективной контролируемой электропорации нанокомпозитных липидных мембран, содержащих проводящие наночастицы. Разработана теоретическая модель нетермического взаимодействия наноструктурированных липосомальных капсул с ультракороткими электрическими импульсами, в рамках которой получено выражение для критического значения напряженности электрического поля, определяющего порог возникновения эффекта электропорации в проводящей водной среде. Показана ключевая роль электропроводящих наночастиц в повышении чувствительности структуры и проводимости нанокомпозитных липосом к внешнему ультракороткому электрическому воздействию. Теоретически описанный механизм изменения структуры и проводимости липидных мембран, содержащих электропроводящие наночастицы, объясняет избирательный управляемый характер ультракороткого импульсного воздействия на нанокомпозитные липосомальные контейнеры. Эффект контролируемого избирательного изменения проницаемости и декапсуляции нанокомпозитных липосом зарегистрирован методам флуориметрии в экспериментах с противораковым антибиотиком доксорубицином и флуоресцентным красителем карбоксифлуоресцеином, которые были загружены в липосомальные носители в качестве модельных молекулярных соединений. Инкапсулированные вещества высвобождалась из нанокомпозитных липосом после воздействия на них ультракоротких электрических импульсов с эффективностью до 98%, при этом каких-либо существенных изменений структурнофункционального состояния природных и чистых липидных мембран зафиксировано не было. Данные об изменении проницаемости мембран хорошо коррелировали с результатами по структурным изменениям нанокомпозитных липосом, зарегистрированными методами просвечивающей электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии.
 

Ключевые слова: 
липидные мембраны
липосомы
наночастицы магнетита
наночастицы золота
нанокомпозитные везикулы
контролируемая доставка лекарств
электрические импульсы
контролируемая электропорация
Благодарности: 
Работа выполнена в рамках выполнения госзадания (FFWZ-2025-0013).
Список источников: 
  1. Tewabe A., Abate A., Tamrie M., Seyfu A., Abdela Siraj E. Targeted drug delivery — from magic bullet to nanomedicine: Principles, challenges, and future perspectives // J. Multidiscip. Healthc. 2021. Vol. 14. P. 1711–1724. DOI: 10.2147/JMDH.S313968.
  2. Vargason A. M., Anselmo A. C., Mitragotri S. The evolution of commercial drug delivery technologies // Nat. Biomed. Eng. 2021. Vol. 5, no. 9. P. 951–967. DOI: 10.1038/s41551- 021-00698-w.
  3. Ezikea T. C., Okpalaa U. S., Lovet O. U., Nwikea C. P., Ezeakoa E. C., Okparaa O. J., Okoroafora C. C., Ezec S. C., Kaluc O. L., Odohd E. C., Nwadikea U. G., Ogbodoa J. O., Umehb B. U., Ossaia E. C., Nwanguma B. C. Advances in drug delivery systems, challenges and future directions // Heliyon. 2023. Vol. 9, no. 6. P. e17488. DOI: 10.1016/j.heliyon.2023.e17488.
  4. Tiwari G., Tiwari R., Sriwastaw B., Bhati L., Pandey S., Pandey P., Bannerjee S. K. Drug delivery systems: An updated review // Int. J. Pharm. Investig. 2012. Vol. 2, iss. 1. P. 2–11. DOI: 10.4103/2230-973X.96920.
  5. Bhagwat R. R., Vaidhya I. S. Novel drug delivery systems: an overview // Int. J. Pharm. Sci. Res. 2013. Vol. 4, no. 3. P. 970–982. DOI: 10.13040/IJPSR.0975-8232.4(3).970-82.
  6. Muller-Goymann C. C.  Physicochemical characterization of colloidal drug delivery systems such as reverse micelles, vesicles, liquid crystals and nanoparticles for topical administration // Eur. J. Pharm. Biopharm. 2004. Vol. 58, no. 2. P. 343–356. DOI: 10.1016/j.ejpb.2004.03.028.
  7. Maximchik P. V., Tamarov K., Sheval E. V., Tolstik E., Kirchberger-Tolstik T., Yang, Z., Sivakov V., Zhivotovsky B., Osminkina L. A. Biodegradable porous silicon nanocontainers as an effective drug carrier for regulation of the tumor cell death pathways // ACS Biomater. Sci. Eng. 2019. Vol. 5, no. 11. P. 6063–6071. DOI: 10.1021/acsbiomaterials.9b01292.
  8. Khurana S., Jain N. K., Bedi P. M. S. Development and characterization of a novel controlled release drug delivery system based on nanostructured lipid carriers gel for meloxicam // Life Sci. 2013. Vol. 93, no. 21. P. 763–772. DOI: 10.1016/j.lfs.2013.09.027.
  9. Xiong W., Li L., Wang Y., Yu Y., Wang S., Gao Y., Liang Y., Zhang G., Pan W., Yang X. Design and evaluation of a novel potential carrier for a hydrophilic antitumor drug: Auricularia auricular polysaccharide-chitosan nanoparticles as a delivery system for doxorubicin hydrochloride // Int. J. Pharm. 2016. Vol. 511, no. 1. P. 267–275. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2016.07.026.
  10.  Sessa G., Weissmann G. Phospholipid spherules (liposomes) as a model for biological membranes // J. Lipid Res. 1968. Vol. 9, no. 3. P. 310–318. DOI: 10.1016/S0022-2275(20)43097-4.
  11.  Lasic D. D. Liposomes: From Physics to Applications. Amsterdam: Elsevier, 1993. 580 p.
  12.  Torchilin V., Weissig V.(eds.) Liposomes: A Practical Approach. Oxford: Oxford University Press, 2003. 396 p.
  13.  Schwendener R. A. Liposomes in biology and medicine // In: Chan W. C. W. (ed) Bio-Applications of Nanoparticles. Advances in Experimental Medicine and Biology. Vol. 620. NY: Springer, 2007. P. 117–128. DOI: 10.1007/978-0-387-76713-0_9.
  14.  Liu P., Chen G., Zhang J. A review of liposomes as a drug delivery system: current status of approved products, regulatory environments, and future perspectives // Molecules. 2022. Vol. 27, no. 4. P. 1372. DOI: 10.3390/molecules27041372.
  15.  Кокшаров Ю. A., Губин С. П., Таранов И. В., Хомутов Г. Б., Гуляев Ю. В. Магнитные наночастицы в медицине: успехи, проблемы, достижения // Радиотехника и электроника. 2022. Т. 67, № 2. С. 99–116. DOI: 10.31857/S0033849422020073.
  16.  Veiseh O., Gunn J. W., Zhang M. Design and fabrication of magnetic nanoparticles for targeted drug delivery and imaging // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2010. Vol. 62, no. 3. P. 284–304. DOI: 10.1016/ j.addr.2009.11.002.
  17.  Neuberger T., Schopf B., Hofmann H., Hofmann M., Von Rechenberg B.  Superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications: Possibilities and limitations of a new drug delivery system // J. Magn. Magn. Mater. 2005. Vol. 293, no. 1. P. 483–496. DOI: 10.1016/j.jmmm. 2005.01.064.
  18.  Nasongkla N., Bey E., Ren J., Ai H., Khemtong C., Guthi J. S., Chin S.-F., Sherry A. D., Boothman D. A., Gao J. Multifunctional polymeric micelles as cancer-targeted. Nano Lett. 2006;6(11):2427–2430. DOI: 10.1021/nl061412u.
  19.  Berezin M. Y. (Ed.) Nanotechnology for Biomedical Imaging and Diagnostics: From Nanoparticle Design to Clinical Applications. New York: Wiley, 2015. 520 p. DOI: 10.1002/9781118873151.
  20.  Губин С. П., Кокшаров Ю. А., Хомутов Г. Б., Юрков Г. Ю. Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства // Усп. хим. 2005. Т. 74, № 6. P. 539–574. DOI: 10.1070/ RC2005v074n06ABEH000897.
  21.  Amstad E., Textor M., Reimhult E. Stabilization and functionalization of iron oxide nanoparticles for biomedical applications // Nanoscale. 2011. Vol. 3, no. 7. P. 2819–2843. DOI: 10.1039/ C1NR10173K.
  22.  Gupta A. K., Gupta M. Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications // Biomaterials. 2005. Vol. 26, no. 18. P. 3995–4021. DOI: 10.1016/j.biomaterials. 2004.10.012.
  23.  Berry C. C., Curtis A. S. Functionalisation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 36, no. 13. P. R198–R206. DOI: 10.1088/ 0022-3727/36/13/203.
  24.  Akbarzadeh A., Samiei M., Davaran S. Magnetic nanoparticles: preparation, physical properties, and applications in biomedicine // Nanoscale Res. Lett. 2012. Vol. 7. P. 144. DOI: 10.1186/1556- 276X-7-144.
  25.  Huang Y., Hsu J. C., Koo H., Cormode D. P. Repurposing ferumoxytol: Diagnostic and therapeutic applications of an FDA-approved nanoparticle // Theranostics. 2022. Vol. 12, no. 2. P. 796–816. DOI: 10.7150/thno.67375.
  26.  Amstad E., Kohlbrecher J., Muller E., Schweizer T., Textor M., Reimhult E.  Triggered release from liposomes through magnetic actuation of iron oxide nanoparticle containing membranes // Nano Lett. 2011. Vol. 11, no. 4. P. 1664–1670. DOI: 10.1021/nl2001499.
  27.  Vlasova K. Y., Piroyan A., Le-Deygen I. M., Vishwasrao H. M., Ramsey J. D., Klyachko N. L., Golovin Y. I., Rudakovskaya P. G., Kireev I. I., Kabanov A. V., Sokolsky-Papkov M. Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications Magnetic liposome design for drug release systems responsive to super-low frequency alternating current magnetic field (AC MF) // J. Colloid Interface Sci. 2019. Vol. 552. P. 689–700. DOI: 10.1016/j.jcis.2019.05.071.
  28.  Khomutov G. B., Kim V. P., Koksharov Yu. A., Potapenkov K. V., Parshintsev A. A., Soldatov E. S., Usmanov N. N., Saletsky A. M., Sybachin A. V., Yaroslavov A. A., Taranov I. V., Cherepenin V. A., Gulyaev Y.V. Nanocomposite biomimetic vesicles based on interfacial complexes of polyelectrolytes and colloid magnetic nanoparticles // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2017. Vol. 532. P. 26–35. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2017.07.035.
  29.  Nguyen T. T. Gold nanoparticles for targeting of biomedical applications: A review // Asian Journal of Chemistry. 2024. Vol. 36, no. 8. P. 1741–1746. DOI: 10.14233/ajchem.2024.31729.
  30.  Dreaden E. C., Alkilany A. M., Huang X., Murphy C. J., El-Sayed M. A. The golden age: gold nanoparticles for biomedicine // Chem. Soc. Rev. 2012. Vol. 41, no. 7. P. 2740–2779. DOI: 10.1039/ C1CS15237H.
  31.  Kumalasari M. R., Alfanaa R., Andreani A. S. Gold nanoparticles (AuNPs): A versatile material for biosensor application // Talanta Open. 2024. Vol. 9. P. 100327. DOI: 10.1016/j.talo.2024.100327.
  32.  Ferrari E. Gold nanoparticle-based plasmonic biosensors // Biosensors. 2023. Vol. 13, no. 3. P. 411. DOI: 10.3390/bios13030411.
  33.  Goddard Z. R., Beekman A. M., Cominetti M. M. D., O’Connell M. A., Chambrier I., Cook M. J., Marn M. J., Russell D. A., Searcey M. Peptide directed phthalocyanine–gold nanoparticles for selective photodynamic therapy of EGFR overexpressing cancers // RSC Med. Chem. 2021. Vol. 12, no. 2. P. 288–292. DOI: 10.1039/D0MD00284D.
  34.  Kolesnikova T. A., Gorin D. A., Fernandes P., Kessel S., Khomutov G. B., Fery A., Shchukin D. G., Mohwald H.  Nanocomposite microcontainers with high ultrasound sensitivity // Adv. Funct. Mater. 2010. Vol. 20, no. 7. P. 1189–1195. DOI: 10.1002/adfm.200902233.
  35.  Novoselova M. V., German S. V., Abakumova T. O., Perevoschikov S. V., Sergeeva O. V., Nesterchuk M. V., Efimova O. I., Petrov K. S., Chernyshev V. S., Zatsepin T. S., Gorin D. A. Multifunctional nanostructured drug delivery carriers for cancer therapy: Multimodal imaging and ultrasoundinduced drug release // Colloids Surf B Biointerfaces. 2021. Vol. 200. P. 111576. DOI: 10.1016/ j.colsurfb.2021.111576.
  36.  De Vry J., Martnez-Martnez P., Losen M., Temel Y., Steckler T., Steinbusch H. W., De Baets M. H., Prickaerts J. In vivo electroporation of the central nervous system: a non-viral approach for targeted gene delivery // Prog. Neurobiol. 2010. Vol. 92, no. 3. P. 227–244. DOI: 10.1016/ j.pneurobio.2010.10.001.
  37.  Zhang N., Li Z., Han X., Zhu Z., Li Z., Zhao Y., Liu Z., Lv Y. Irreversible electroporation: An emerging immunomodulatory therapy on solid tumors // Front. Immunol. 2022. Vol. 12. P. 811726. DOI: 10.3389/fimmu.2021.811726.
  38.  Massart R. Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media // IEEE Transactions on Magnetics. 1981. Vol. 17, no. 2. P. 1247–1248. DOI: 10.1109/TMAG.1981.1061188.
  39.  Гуляев Ю. В., Черепенин В. A., Таранов И. В., Вдовин В. A., Хомутов Г. Б. Воздействие ультракоротких электрических импульсов на нанокомпозитные липосомы в водной среде // Радиотехника и электроника. 2020. T. 65, № 2. C. 189–196. DOI: 10.31857/S0033849420020096.
  40.  Гуляев Ю. В., Черепенин В. A., Вдовин В. A., Таранов И. В., Ярославов A. A., Ким В. П., Хомутов Г. Б. Дистанционная декапсуляция нанокомпозитных липосом, содержащих внедренные проводящие наночастицы, при воздействии импульсного электрического поля // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60, № 10. С. 1051–1063. DOI: 10.7868/S0033849415100034.
  41.  Гуляев Ю. В., Черепенин В. A., Таранов И. В., Вдовин В. A., Хомутов Г. Б. Активация нанокомпозитных липосомальных капсул в проводящей водной среде ультракоротким электрическим воздействием // Радиотехника и электроника. 2021. Т. 66, № 1. С. 82–90. DOI: 10.31857/S0033849421010022.
  42.  Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 8. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2005. 656 с.
  43.  Schwan H. P. Biophysics of the interaction of electromagnetic energy with cells and membranes // In: Grandolfo M., Michaelson S. M., Rindi A. (eds) Biological Effects and Dosimetry of Nonionizing Radiation. NATO Advanced Study Institutes Series. Vol. 49. Boston: Springer, 1983. P. 213–231. DOI: 10.1007/978-1-4684-4253-3_9.
  44.  Овчинников Ю. A. Биоорганическая химия. M.: Просвещение, 1987. 815 с.
  45.  Ким В. П., Ермаков А. В., Глуховской Е. Г., Рахнянская А. А., Гуляев Ю. В., Черепенин В. А., Таранов И. В., Кормакова П. А., Потапенков К. В., Усманов Н. Н., Салецкий А. М., Кокшаров Ю. А., Хомутов Г. Б. Планарные наносистемы на основе комплексов амфифильного полиамина, наночастиц магнетита и молекул ДНК // Российские нанотехнологии. 2014. Т. 9, № 5–6. С. 47–52.
  46.  Гуляев Ю. В., Черепенин В. А., Таранов И. В., Вдовин В. A., Ярославов A. A., Ким В. П., Хомутов Г. Б. Дистанционная декапсуляция нанокомпозитных липосомальных капсул, содержащих золотые наностержни, ультракороткими электрическими импульсами // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61, № 1. С. 61–65. DOI: 10.7868/S0033849415120104.
  47.  Chede L. S., Wagner B. A., Buettner G. R., Donovan M. D. Electron spin resonance evaluation of buccal membrane fluidity alterations by sodium caprylate and L-menthol // Int. J. Mol. Sci. 2021. Vol. 22, no. 19. P. 10708. DOI: 10.3390/ijms221910708.
Поступила в редакцию: 
03.04.2025
Принята к публикации: 
25.06.2025
Опубликована онлайн: 
03.07.2025
Опубликована: 
30.09.2025
  • 889 просмотров