Polymerní částice
Naše oddělení se zaměřuje na vývoj různých polymerních částic pravidelného tvaru a velikosti, které jsou využitelné jako multimodální zobrazovací činidla nebo pevné nosiče reagencií. Patří sem povrchově modifikované světlo-konvertující a magnetické nano- a mikročástice s navázanými různými ligandy (např. pro cílení a zachycení cirkulujících nádorových buněk), značkami Alzheimerovy a Parkinsonovy choroby, proteiny, enzymy; částice jsou rovněž vhodné pro separaci toxických kovových iontů a organických molekul z odpadních vod či složitých biologických směsí, jako je krev, plazma nebo mozkomíšní mok. Magnetické částice se stávají nedílnou součástí tzv. laboratoří na čipu pro molekulární in vitro diagnostiku. Světlo-konvertující a magnetická jádra, jako jsou lanthanoidové fluoridy nebo oxidy železa, musí být zapouzdřeny uvnitř polymerního obalu, který brání agregaci, poskytuje biokompatibilitu, potlačuje nespecifické interakce a zavádí požadované funkcionality.
Výzkum
Světlo-konvertující nanočástice
Monodisperzní nanokrystaly na bázi lanthanoidů získávají v současné době značnou pozornost vzhledem k jejich použitelnosti v různých biologických aplikacích díky svým jedinečným luminiscenčním vlastnostem, které lze snadno měnit výběrem vhodných dopantů a jejich koncentrací. Světlo-konvertující nanočástice (UCNP) připravované tepelným rozkladem organických prekurzorů lanthanoidů se vyznačují převáděním nízkoenergetického NIR záření na vysokoenergetické viditelné nebo ultrafialové světlo prostřednictvím anti-Stokesovy emise. Je tak umožněn průnik NIR záření hluboko do tkání v důsledku snížené absorpce světla; kromě toho mají částice nízkou autofluorescenci a málo rozptylují fotony. Ve srovnání s konvenčními fluorescenčními nanomateriály (organická barviva, komplexy kovů atd.) poskytují UCNP i další výhody, jako je vysoká chemická stabilita, úzké emisní linie, absence blikání a blednutí. UCNP nabízejí tedy velké možnosti v různých aplikacích, počínaje fotovoltaikou, fotokatalýzou, bezpečnostními systémy a zobrazovacími technologiemi, až po in vitro a in vivo zobrazování tkání, chirurgii spojenou se zobrazováním, biosenzory, dávkování léčiv a genových vektorů a jejich uvolňování světlem, optogenetiku nebo fotodynamickou terapii nádorů. Nejnovější trend, kterým se na našem oddělení zabýváme, zahrnuje multimodální zobrazování (MRI, fluorescence, SPECT/CT nebo PET) buněk a tkání integrovaných do jednoho systému. Částice však musí být povrchově modifikovány deriváty oxidu křemičitého, peptidy nebo různými polymery obsahujícími bisfosfonátové skupiny, které mají silnou afinitu k povrchu částic.
|
Monodisperzní hexagonální silikou modifikované nanočástice na bázi lanthanoidů vykazují fluorescenci při 480 nm v mRoGFP HeLa buňkách. |
|
Fotoluminiscence světlo-konvertujících nanočástic a SPECT/CT zobrazení myši po intravenózní aplikaci NaYF4:Yb3+/Er3+@PEG nanočástic značených 125I. |
|
Schematické znázornění pohlcování RGDS- a TAT-konjugovaných světlo-konvertujících NaYF4:Yb3+/Er3+@SiO2 nanočástic buňkami lidského epitelioidního karcinomu děložního čípku. |
|
NaYF4:Yb3+/Er3+@SiO2 nanočástice s konjugovaným ftalocyaninem jsou vhodné pro NIR-iniciovanou fotodynamickou terapii myšího nádorového modelu. |
Magnetické koloidy
Magnetické koloidy se vyznačují jedinečnými magnetickými vlastnostmi, velkým poměrem povrchu k objemu, malou velikostí (v nanometrech) a schopností fungovat na buněčné úrovni. Díky těmto vlastnostem jsou vhodnými kandidáty pro lékařské aplikace; slouží např. jako kontrastní látky pro zobrazování magnetickou rezonancí, magneticky směrované nosiče léčiv nebo tepelné mediátory v hypertermii. Magneticky značené buňky mohou být transplantovány do poškozených tkání, což umožňuje neinvazivní a dlouhodobé sledování buněk, jejich migrace, proliferace a diferenciace. Magnetické nanomateriály, zejména maghemit (γ-Fe2O3) a magnetit (Fe3O4), připravované v našem oddělení tepelným rozkladem organických prekurzorů nebo srážením kovových solí v přítomnosti báze jsou biokompatibilní a vykazují nízkou toxicitu. Částice lze dobře modifikovat polymery obsahujícími reaktivní funkční skupiny (amino, karboxyl, vinyl a etinyl), cheláty, poly(L-lysinem) nebo makromolekulami připravovanými ATRP či RAFT technikou, léky (doxorubicinem) nebo směrujícími peptidy a zobrazovacími ligandy. Z hlediska aplikací se zaměřujeme zejména na syntézu antibakteriálních, antioxidačních či kancerostatických nanočástic.
|
Schéma přípravy Fe3O4@SiO2-Ag nanočástic s antibakteriálním účinkem.
Schematické znázornění zachytávání peroxidu vodíku a superoxidových radikálů na antioxidačních γ-Fe2O3/CeOx@PEG nanočásticích v důsledku redoxního posunu Ce3+/Ce4+.
Příprava cytostatických nanočástic oxidu železa povlečeného polymerem s konjugovaným doxorubicinem. |
Polymerní mikročástice
Polymerní částice (např. z poly(glycidyl- nebo 2-hydroxyethyl-methakrylátu) či celulózy) se v oddělení získávají řadou metod zahrnujících sol-gel techniku, suspenzní, emulzní, miniemulzní polymerizaci, polymerizace využívající „polymerní očka“ nebo vícestupňové botnání. Výhodou posledně jmenované techniky je příprava uniformních polymerních mikročástic (velikost v mikrometrech) se stejnými fyzikálně-chemickými a biologickými vlastnostmi a vysokou reprodukovatelností experimentů. Metoda je vhodná pro přípravu náplní chromatografických kolon i magnetických polymerních mikročástic obsahujících různé funkční skupiny, jako je NH2, COOH, SH, tosyl nebo RGDS peptid. Částice jsou použitelné pro biologické analýzy a umožňují jednoduchou manipulaci pomocí magnetu v průběhu promývání a výměny činidel. Navíc je možné magnetické částice využít v automatizovaných protokolech. Povlečení mikročástic poly(ethylenglykolem), betainy nebo deriváty oxidu křemičitého omezuje nežádoucí nespecifické adsorpce proteinů. Mikročástice se rovněž používají v mikročipech pro diagnostiku cirkulujících nádorových buněk, neurodegenerativních poruch a autoimunitních onemocnění, zachycování DNA, separaci biomolekul, kontrolu kvality potravin atd.
|
Schematické znázornění imobilizace p46/Myo1C antigenu na magnetické amonolyzované poly(glycidyl-methakrylátové) mikročástice a zachycování anti-p46/Myo1C protilátek z krevního séra.
Modifikace amonolyzovaných magnetických poly(glycidyl-methakrylátových) mikročástic dendrimerem, kyselinou 4-pentynovou a „click“ reakce s 125I-N3-RGDS peptidem.
Princip Ephesia systému. (a) Návrh čipu, (b) spodní část čipu s kotevními body, (c) samouspořádávání magnetických mikročástic v magnetickém poli a (d) imunomagnetické vychytávání cirkulujících nádorových buněk. |
Hydrogelové materiály pro tkáňové inženýrství
Syntetické hydrogely jsou vodou nabotnalé sítě sestávající z hydrofilních polymerů, např. poly(ethylenglykolu), poly(vinylalkoholu), poly[N-(2-hydroxypropyl)-methakrylamidu] a poly(2-hydroxyethyl-methakrylátu) (PHEMA). Takovéto hydrogely jsou vhodné pro aplikace v tkáňovém inženýrství, kde interagují s buňkami a podporují jejich adhezi, proliferaci, migraci a diferenciaci. Proto musí být povrch hydrogelu pečlivě upraven, např. adhezivními peptidy, aby se co nejvíce podobaly specifickému buněčnému prostředí. 3-D superporézní hydrogely jsou perspektivní především pro kultivaci kmenových a nervových buněk v tkáňovém inženýrství, regenerativní medicíně a pro obnovování poškozené míchy.
|
(a) Krystaly šťavelanu amonného a (b) chloridu sodného používané jako porogeny při přípravě superporézních PHEMA hydrogelů s orientovanou porozitou.
(a) PHEMA and (b) alginátové hydrogely s orientovanou porozitou.
Příprava reduktivně-degradovatelných hydrogelů na bázi PHEMA. |
Spolupráce
- University of Regensburg, Německo
- Institute of Condensed Matter Chemistry and Technologies for Energy, National Research Council (CNR), Padova, Itálie
- Chang Gung University, Taoyuan, Taiwan
- Wroclaw University of Science and Technology, Polsko
- Ústav experimentální medicíny AV ČR, Praha
- Ústav klinické a experimentální medicíny, Praha
- Centrum pro pokročilé preklinické zobrazování, Univerzita Karlova, Praha
- Fyziologický ústav AV ČR, Praha
- Masarykova univerzita, Brno
Financování
- Grantová agentura České republiky, č. 19-00676S, 20-07015S, 20-02177J, 21-04420S
- Akademie věd České republiky, CNR-19-16
- Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy České republiky, INTERAKCE LTAB19011