Ученые Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского федерального университета разработали новый вид контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии (МРТ) – наночастицы бычьего сывороточного альбумина, допированные ионами марганца (II). Результаты исследования опубликованы в научном журнале International Journal of Biological Macromolecules квартиля Q1.

Обширное исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда, провели научные сотрудники Химического института им. А.М. Бутлерова: доценты кафедры физической химии Рустэм Заиров и Тимур Мухаметзянов, старший научный сотрудник НИЛ «Материалы для водородной энергетики и традиционной энергетики с низким углеродным следом» Булат Ахмадеев, лаборант-исследователь НИЛ Алексей Довженко, а также младшие научные сотрудники НИЛ – аспирант 2 года обучения Химического института Тимур Корнев и обучающийся 4 курса Химического института Вадим Васильев. В исследовательскую группу также вошли ученые Казанского национального исследовательского технологического университета, Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева – КАИ, Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук.

Использование биомолекул при разработке наноматериалов – хорошо известный способ повышения его биосовместимости. Белки крови являются наиболее распространенными биологическими объектами исследования, они обладают уникальной способностью связывать и переносить различные субстраты, в том числе ионы металлов. За счет контролируемой мягкой денатурации, свойства нативных, то есть исходных белков могут быть кардинальным образом изменены. В случае данной разработки речь идет о белке сыворотки крови – бычьем сывороточном альбумине (BSA), который является более доступной моделью сывороточного альбумина человека (HSA). Модификация свойств белковых молекул и дальнейшая сшивка определенными сшивающими агентами позволяет закрепить полученные функциональные характеристики и синтезировать наночастицы.

«Бычий сывороточный альбумин – классический  белок, который является ближайшей и наиболее активно исследуемой моделью человеческого сывороточного альбумина. Основной функцией этого белка в человеческом организме является транспортная –  он обратимо связывает различные биомолекулы и осуществляет их перенос. BSA является наиболее коммерчески доступным белком, его стоимость относительно других белков невелика, поэтому многие биологические исследования, которые претендуют на дальнейшее применение в биомедицинских целях, проводятся на бычьем сывороточном альбумине, – рассказывает первый автор исследования Рустэм Заиров. – Нами было выявлено, что бычий сывороточный альбумин в его нативном (исходном) состоянии способен связывать ионы марганца в соотношении 1:1. При этом образуемый комплекс, в котором ион марганца (Mn2+) связан, скажем так, с высокомолекулярным лигандом, способен увеличивать релаксацию протонов воды на несколько порядков. За счет подбора экспериментальных условий методом десольватации органическим растворителем мы добились мягкой нетермической денатурации белка».

В денатурированном состоянии белок способен связывать уже 4 иона марганца, отмечает Р. Заиров. Таким образом, становится возможным увеличение загрузки марганца в 4 раза. Далее с помощью добавления глутарового альдегида учеными была произведена сшивка денатурированных молекул белка с образованием наночастиц. Такие частицы, говорит доцент кафедры физической химии КФУ, обладают размером порядка 100 нанометров, что весьма актуально для биомедицинского применения – они способны пересекать различные барьеры в организме.

Участники исследования добились соотношения ионов Mn2+ к белку – 4:1, изучили магнитно-релаксационные характеристики и показали, что частицы весьма биосовместимы, по типу реакции Фентона они обладают очень слабой каталитической активностью. Для них характерна низкая гемолитическая активность и гемагглютинация (при концентрациях менее 110 микромоль/л). Ученые уверены, такие наночастицы – многообещающие кандидаты для использования в качестве контрастных агентов при проведении МРТ, они демонстрируют необычайно высокие по сравнению с другими марганцевыми частицами показатели релаксивности на уровне 100 единиц (продольная релаксивность – 98,9 мМ-1с‑1; поперечная релаксивность – 133,6 мМ-1с-1).

«Как известно, более 30 процентов современных процедур МРТ производится с помощью введения контрастных агентов. Понятно, что МРТ на сегодняшний день – это наиболее широко используемый метод неинвазивной диагностики опухолевых заболеваний. В некоторых случаях требуется введение контраста для определения места опухоли, в том числе и раковых опухолей, для высокоточной диагностики. В этих целях вводятся контрастные агенты, все они представляют собой комплексные соединения гадолиния (Gd). Gd3+ – это такой ион, который обладает семью неспаренными электронами, и благодаря своим уникальным магнитным свойствам он эффективно ускоряет релаксацию протонов воды», – сообщил Заиров.

Ученый добавил, что в отличие от марганца, который содержится в организме человека, гадолиний может вызвать нефротоксичность – токсичность по отношению к почкам, ведущую к нефрогенному системному фиброзу, а также некоторым нейродегенеративным заболеваниям.

«Сейчас все чаще и чаще поднимается вопрос о том, что гадолиний нужно заменять чем-то более "биодружелюбным", и здесь на помощь приходит Mn2+. Этот ион имеет электронную конфигурацию d5, по количеству неспаренных электронов он уступает гадолинию: релаксивность акваиона марганца(II) несколько ниже релаксивности акваиона гадолиния(III) (9 и 16 соответственно). Несмотря на это, в определенном лигандном окружении или в составе наночастиц использование марганца может дать лучший результат – объясняет преимущества марганца доцент. – Существующие МРТ-контрастные агенты не так эффективны, по крайней мере, их показатели релаксивности лежат в диапазоне 3,5 – 9,9. Релаксивность полученных нашей группой наночастиц достигает порядка 100 единиц. Это является существенным прорывом в области разработки контрастных агентов, поскольку более чем на порядок превышает соответствующие значения релаксивности современных, коммерчески доступных МРТ контрастных агентов на основе гадолиния. То есть с марганцем, который изначально проигрывает гадолинию, но при этом является более биосовместимым, нам удалось достигнуть более высокой релаксивности. При этом совместно с биологами было показано, что полученные наночастицы не вызывают токсического эффекта, гемагглютинацию и не генерируют активные формы кислорода».

Отметим, что исследование проводилось на базе кафедры физической химии, НИЛ «Материалы для водородной энергетики и традиционной энергетики с низким углеродным следом» КФУ под руководством директора Химического института им. А.М. Бутлерова Марата Зиганшина и лаборатории физико-химии супрамолекулярных систем Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН под руководством заведующей лабораторией Асии Мустафиной.

В ближайшей перспективе технология может получить свое применение в биомедицине при установлении контраста между здоровой и больной тканями при проведении диагностики с помощью метода магнитно-резонансной томографии.