ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Метою роботи є синтез і дослідження властивостей поліфункціональних магніточутливих нанокомпозитів (НК) та мішень-спрямованих магнітних рідин (МР) на основі фізіологічного розчину (ФР), магнетиту, гемцитабіну (ГЦ) та антитіла (АТ) HER2, перспективних для використання в адресній протипухлинній терапії проти клітин лінії MDA-MB-231 агресивної пухлини з високою проліферативною та метастатичною активністю тричі негативного раку молочної залози (РМЗ) людини.

Питому поверхню (S_пит) зразків визначали методом термодесорбції азоту за допомогою приладу KELVIN 1042 фірми “COSTECH Instruments”. Розмір наночастинок (НЧ) оцінювали за формулою D_BET = 6/(ρS_BET), де ρ – густина частинки НК, S_BET – значення питомої площі поверхні, розрахованої за теорією полімолекулярної адсорбції Брунауера, Еммета і Теллера (БЕТ). Дослідження стану поверхні нанодисперсних зразків здійснювали методами ІЧ-спектроскопії (Фур’є-спектрометр “Perkin Elmer”, модель 1720Х). Для розрахунку концентрації гідроксильних груп на поверхні наноструктур використовували метод диференціального термічного аналізу в поєднанні з диференціальним термогравіметричним аналізом. Реєстрацію термограм здійснювали за допомогою дериватографа Q-1500D фірми МОМ (Угорщина) в інтервалі температур 20–1000 °С за швидкості нагрівання 10 град/хв. Рентгенофазовий аналіз наноструктур виконували за допомогою дифрактометра ДРОН-4-07 (випромінювання CuK_α з нікелевим фільтром у відбитому пучку, фокусування за Бреггом-Брентано). Розмір та форму НЧ визначали методом електронної мікроскопії (просвічуючий електронний мікроскоп (ПЕМ) JEM-2100F (Японія)). Петлі гістерезису магнітного моменту зразків вимірювали за допомогою лабораторного вібраційного магнітометра фонерівського типу при кімнатній температурі. Вимірювання оптичної густини, спектрів поглинання та концентрації ГЦ в розчинах здійснено методами спектрофотометричного аналізу (Spectrometer Lambda 35 UV/Vis Perkin Elmer Instruments). Кількість адсорбованої речовини на поверхні магнетиту визначали за допомогою спектрофотометра при λ = 268 нм за калібрувальним графіком. Товщину адсорбованого шару ГЦ у складі НК Fe₃O₄@ГЦ визначали методом магнітної гранулометрії. Для вивчення прямої цитотоксичної/цитостатичної дії серії експериментальних зразків МР на основі ФР, НЧ Fe₃O₄, ГЦ, АТ HER2, а також компонентів МР в моно- або комплексному застосуванні, на клітини лінії MDA-MB-231 in vitro, визначали показник ІС₅₀.

Синтезовано МР на основі однодоменного Fe₃O₄ і ФР, стабілізовані олеатом натрію (Ол.Na) і поліетиленгліколем (ПЕГ), що містять ГЦ та АТ HER2 (Fe₃O₄@ГЦ/Ол.Na/ПЕГ/HER2+ФР). Вивчено цитотоксичну/цитостатичну активність МР щодо клітин лінії MDA-MB-231. Встановлено, що застосування синтезованих МР складу Fe₃O₄@ГЦ/Ол.Na/ПЕГ/HER2+ФР за концентрації магнетиту 0.05 мг/мл, ГЦ – 0.004 мг/мл та АТ HER2 – 0.013 мкг/мл виявляло синергічний ефект та зменшувало кількість життєздатних клітин РМЗ до 51 %. Доведено, що використання МР на основі мішень-спрямованого комплекса Fe₃O₄/ГЦ/HER2 характеризується підвищеною ефективністю протипухлинної дії, порівняно з традиційним застосуванням препарату ГЦ, при істотному зменшенні (у чотири рази) його дози. Високу цитотоксичну/цитостатичну активність комплексів Fe₃O₄/ГЦ/HER2 пояснено тим, що в механізмах реалізації апоптичної програми за впливу  нанокомпозиту суттєву роль відіграють порушення обміну ендогенного заліза. Так, за наявністю в нанокомпозитній системі комплексів Fe₃O₄/ГЦ/HER2 у клітинах MDA-MB-231 спостерігається значне підвищення рівня «вільного заліза», що сприяє утворенню активних форм кисню та спричиняє оксидативний стрес (реакція Фентона). Наслідками оксидативного стресу є індукція апоптозу, посилення процесів перекисного окиснення ліпідів та структурно-функціональна перебудова  біологічних мембран. Показано перспективність подальших досліджень МР Fe₃O₄@ГЦ/Ол.Na/ПЕГ/HER2+ФР з метою створення на їхній основі магнітокерованого лікарського засобу для використання в адресній протипухлинній терапії.

1. Plentz R.R., Malek N.P. Systemic therapy of cholangiocarcinoma. Visc. Med. 2016. 32(6): 427. https://doi.org/10.1159/000453084

2. Jain A., Kwong L.N., Javle M. Genomic profiling of biliary tract cancers and implications for clinical practice. Curr. Treat. Options Oncol. 2016. 17(11): 58. https://doi.org/10.1007/s11864-016-0432-2

3. Internet resource. Gemcitabine. Recent clinical trials of II and III stages in metastatic pancreatic cancer. 2017. [in Russian]. https://www.meir-health.ru

4. Gutorov S.L. Gemcitabine and pemetrexed: recent results in chemotherapy of solid tumors. Farmateka. 2005. 21: 16. [in Russian].

5. Arias J.L., Reddy L.H., Couvreur P. Fe₃O₄/chitosan nanocomposite for magnetic drug targeting to cancer. J. Mater. Chem. 2012. 22(15): 7622. https://doi.org/10.1039/c2jm15339d

6. Popescu R.C., Andronescu E., Vasile B.S., Truscă R., Boldeiu A., Mogoantă L., Mogosanu G.D., Temelie M., Radu M., Grumezescu A.M., Savu D. Fabrication and cytotoxicity of gemcitabine-functionalized magnetite nanoparticles. Molecules. 2017. 22(7): 1080. https://doi.org/10.3390/molecules22071080

7. Iglesias G.R., Reyes-Ortega F., Checa Fernandez B.L., Delgado Á.V. Hyperthermia-triggered gemcitabine release from polymer-coated magnetite nanoparticles. Polymers. 2018. 10(3): 269. https://doi.org/10.3390/polym10030269

8. Petranovska A.L., Abramov M.V., Opanashchuk N.M., Turanska S.P., Kusyak N.V., Gorbyk P.P. Synthesis and properties of magnetically sensitive nanocomposites based on magnetite and gemcitabine. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2018. 9(4): 353. https://doi.org/10.15407/hftp09.04.353

9. Petranovska A.L., Abramov M.V., Opanashchuk N.M., Turanska S.P., Gorbyk P.P., Kusyak N.V., Kusyak A.P., Lukyanova N.Yu., Chekhun V.F. Magnetically sensitive nanocomposites and magnetic liquids based on magnetite, gemcitabine, and antibody Her2. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2019. 10(4): 419.

10. Gorbyk P.P. Medico-biological nanocomposites with nanorobot functions: state of investigations, development, and prospects of practical introduction. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2020. 11(1): 128. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/hftp11.01.128

11. Abramov M.V., Petranovska A.L., Kusyak N.V., Kusyak A.P., Opanashchuk N.M., Turanska S.P., Gorbyk P.P., Luk'yanova N.Yu., Chekhun V.F. Synthesis and properties of magnetosensitive nanocomposites and ferrofluids based on magnetite, gemcitabine and HER2 antibody. Funct. Mater. 2020. 27(2): 1. https://doi.org/10.15407/fm27.02.283

12. Levy L., Sahoo Y., Earl B.J. Synthesis and characterization of multifunctional nanoclinics for biological applications. Chem. Mater. 2002. 14: 3715. https://doi.org/10.1021/cm0203013

13. Shpak A.P., Gorbyk P.P. Nanomaterials and Supramolecular Structures: Physics, Chemistry, and Applications. (Nederlands: Springer, 2009). https://doi.org/10.1007/978-90-481-2309-4

14. Gorbyk P.P., Turov V.V. Nanomaterials and Nanocomposites in Medicine, Biology, Ecology. (Kyiv: Naukova Dumka, 2011). [in Russian].

15. Patent UA 99211. Gorbyk P.P., Petranovska A.L., Turelyk M.P., Turanska S.P., Vasylieva O.A., Chekhun V.F., Luk'yanova N.Yu., Shpak A.P., Korduban O.M. Nanocapsule with nanorobot functions. 2012.

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

17. Gorbyk P.P. Nanocomposites with functions of medico-biological nanorobots: synthesis, properties, application. Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies. 2013. 11(2): 323. [in Ukrainian].

18. 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. (NY: Nova Science Publishers, 2014).

19. Gorbyk P.P., Lerman L.B., Petranovska A.L., Turanska S.P., Pylypchuk I.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

20. Pylypchuk I.V., Abramov M.V., Petranovska A.L., Turanska S.P., Budnyak T.M., Kusyak N.V., Gorbyk P.P. Multifunctional magnetic nanocomposites on the base of magnetite and hydroxyapatite for oncology applications. In: Nanochemistry, Biotechnology, Nanomaterials, and Their Applications (NANO 2017). Selected Proc. 5th Int. Conf. "Nanotechnology and Nanomaterials" (Aug. 23-26, 2017, Chernivtsi, Ukraine). P. 35. https://doi.org/10.1007/978-3-319-92567-7_2

21. Abramov M.V., Kusyak A.P., Kaminskiy O.M., Turanska S.P., Petranovska A.L., Kusyak N.V., Gorbyk P.P. Magnetosensitive Nanocomposites Based on Cisplatin and Doxorubicin for Application in Oncology. In: Horizons in World Physics. (Nova Publishers, 2017). 293: 1.

22. Uvarova I.V., Gorbyk P.P., Gorobets' S.V., Ivashchenko O.A., Ulianchenko N.V. Nanomaterials of Medical Destination. (Kyiv: Naukova Dumka, 2014). [in Ukrainian].

23. Gorobets' S.V., Gorobets' O.Yu., Gorbyk P.P., Uvarova I.V. Functional Bio- and Nanomaterials of Medical Destination. (Kyiv: Kondor, 2018). [in Ukrainian].

24. Kusyak A.P., Petranovska A.L., Gorbyk P.P. Adsorption of Pb2+ cations from blood plasma by nanocomposites based on magnetite. Surface. 2016. 8(23): 179. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2016.08.179

25. Abramov M.V., Turanska S.P., Gorbyk P.P. Magnetic properties of nanocomposites of superparamagnetic core-shell type. Metalofizyka i Novitni Tekhnologiyi. 2018. 40(4): 423. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.40.04.0423

26. Abramov M.V., Turanska S.P., Gorbyk P.P. Magnetic properties of fluids based on polyfunctional nanocomposites of superparamagnetic core-multilevel shell type. Metalofizyka i Novitni Tekhnologiyi. 2018. 40(10): 1283. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/mfint.40.10.1283

27. Karaman O.M., Fedosova N.I., Voyeikova I.M., Cheremshenko N.L., Ivanchenko A.V., Savtsova Z.D. Prospects of application of lectins for diagnostics and treatment of malignant neoplasms. Onkologiya. 2018. 20(1): 10. [in Ukrainian].

28. Turanska S.P., Opanashchuk N.M., Petranovska A.L., Kusyak N.V., Tarasiuk B.I., Gorobets' S.V., Turov V.V., Gorbyk P.P., Abramov M.V. Synthesis, properties of nanocomposites based on gemcitabine, and application in oncotherapy. Poverkhnia'. 2019. 11(26): 577. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.577

29. Moiseenko V.M. Probabilities of monoclonal antibodies in treatment of malignant tumors. Practical Oncology. 2002. 3(4): 253. [in Russian].

30. Tan M., Yu D. Molecular mechanisms of erbB2-mediated breast cancer chemoresistance. Adv. Exp. Med. Biol. 2007. 608: 119. https://doi.org/10.1007/978-0-387-74039-3_9

31. Santin A.D., Bellone S., Roman J.J., McKenney J.K., Pecorelli S. Trastuzumab treatment in patients with advanced or recurrent endometrial carcinoma overexpressing HER2/neu. Int. J. Gynaecol. Obstet. 2008. 102(2): 128. https://doi.org/10.1016/j.ijgo.2008.04.008

32. Borisenko N.V., Bogatyrev V.M., Dubrovin I.V., Abramov N.V., Gayevaya M.V., Gorbyk P.P. Synthesis and Properties of Magnetosensitive Nanocomposites Based on Oxides of Iron and Silicon. In: Physics and Chemistry of Nanomaterials and Supramolecular Structures. (Kyiv: Naukova Dumka, 2007). 1: 394. [in Russian].

33. 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

34. 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: 275. https://doi.org/10.1007/s40097-015-0159-9

35. 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: 223. https://doi.org/10.1007/s40097-016-0196-z

36. Freshni R.Ya. Animal Cell Culture: Practical Manual. (Moscow: BINOM, Laboratoriya znania, 2010). [in Russian]. https://doi.org/10.1002/9780470649367

37. Luk'yanova N.Yu. Doctoral (Biol.) Thesis. (Kyiv, 2015). [in Ukrainian].