Нанобиотехнология: путь в новый микромир, созданный синтезом химии и биологии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ОГЛЯДИ

УДК 546.26.043

НАНОБІОТЕХНОЛОГІЯ: ШЛЯХ У НОВИЙ МІКРОСВІТ, СТВОРЕНИЙ СИНТЕЗОМ ХІМІЇ ТА БІОЛОГІЇ

О. П. ДЕМЧЕНКО, В. І. НАЗАРЕНКО Інститут біохімії ім. О. В. Палладіна НАН України, Київ E-mail: [email protected]

Отримано 19.06.2011

Частинки розміром 1-100 нм та композити з молекул і таких частинок неорганічної, органічної та біологічної природи мають унікальні властивості, що не притаманні іншим матеріалам, тому застосування їх зумовлює революційні зміни в існуючих технологіях і створення нових. В огляді описано будову та властивості таких нанокомпозитів, а також їх різноманітне біотехнологічне застосування. Обговорюються нові можливості для досліджень і впровадження в індустріальній ензимології, пов’язані зі включенням ензимів у наноструктури. Новітні технології охоплюють і охорону здоров’я, що сприяло виникненню нанофармакології і наномедицини. Тут уперше з’явилися можливості для контрольованого доставлення і вивільнення ліків у клітинах-мішенях. Розглянуто також проблему патентного захисту нових ідей у цій галузі.

Запропоновано розгорнуту дефініцію нанобіотехнології.

Ключові слова: нанобіотехнологія, наночастинки, самоскладання, нанокомпозити, наноматеріали у медицині, наноензимологія.

Останнім часом відбувається створення і становлення нової наукової й технологічної дисципліни на стику фізики, хімії та біології. Унікальні властивості металевих наночасти-нок і напівпровідникових нанокристалів не залишилися поза увагою фізиків, однак їх застосування було б неможливим без розроблення хіміками методів модифікації їхньої поверхні. Спільними зусиллями фізиків і хіміків було створено так звані кон’юговані полімери — макромолекули, яким притаманна не лише електропровідність, але й здатність до колективних ефектів у поглинанні й випромінюванні світла. Запозичення з молекулярної біології принципу самоскладання надмолекулярних структур уможливило суттєве роз ши рен ня діапа зо ну гібрид них наночастинок, що складаються з компонентів, зап ро по но ва них не ор ганічною та ор -ганічною хімією, а також хімією полімерів, молекулярною біологією та біоінженерією. Нанотехнологія на основі цього принципу дає змогу створювати нові молекулярні архітектури з величезною точністю і широким діапазоном застосування.

Ство рен ня на но ст рук тур мо же відбу ва -тися двома шляхами. Один із них — це

шлях «від верху до низу», подрібненням частинок більшого розміру. Другий може бути названий шляхом «від низу до верху» і здійснюється з’єднанням молекулярних компонентів. Цей варіант виявився найбільш перспективним, поєднуючи самоскла-дан ня зі зши ван ням ком по нентів у ре акціях хімічно го син те зу. У ба гать ох ви пад ках це відбу ваєть ся на плат формі на но час ти нок не -ор ганічно го, ор ганічно го чи біологічно го по -ходження [1, 2].

Водночас спостерігається розвиток біо-технології як наукової і технологічної дисципліни, що ґрунтується на біологічних дослідженнях з використанням матеріалів біологічного походження. Галузями її засто-су ван ня є пе ре дусім сільсь ке гос по да р ство, харчова промисловість, медицина та охорона довкілля. Завдяки запиту на створення нових біотехнологій на основі наноматеріа-лів відбу ваєть ся взаємне зба га чен ня і пе ре -плетіння нанотехнології і біотехнології, що зу мо ви ло ство рен ня но во го нап ря му — на -нобіотехнології. Таке взаємопроникнення й поєднання двох світів — біомолекул і штучно створених наночастинок — схема-тич но зоб ра же но на рис. 1.

С^Вуглеводи^)

Рис. 1. Взаємодія двох світів — наночастинок і біомолекул — є основою для розвитку нанобіотехнології

Бурх ли вий роз ви ток ць о го нап ря му ре -во люціонізу вав старі і спри яв ство рен ню но -вих шляхів для досліджень та розширенню сфер застосування:

0 створення нових ліків на основі досліджень взаємодії нан о час ти нок і жи вих клі -тин (нанофармакологія);

0 доставлення лікарських засобів на рівні цілого організму до клітин-мішеней і їх дозоване вивільнення (нанофармакокінетика);

0 використання механізмів прямої дії на но час ти нок на кліти ни-мішені (фо то ди -намічна та гіпо тер маль на те рапія пух лин);

0 кількісне визначення речовин, важливих для клінічної діаг нос ти ки, охо ро ни довкілля та іншого застосування. Аналіз ге-но му і про те о му (на нобіосен со ри ка);

0 вивчення взаємодії наночастинок із клітинами. Одержання інформативних зображень живих клітин (наноклітинна біологія);

0 візуалізація органів і тканин (наното-мог рафія);

0 ензимні технології на основі наночасти нок (на но ен зи мо логія);

0 концентрація і розділення біосинтетич-них молекул (препаративна нанобіотехнологія);

0 дослідження негативних впливів нано час ти нок на живі ор ганізми (на но ток си -ко логія).

У цьому огляді ми намагатимемось висвітлити різні аспекти створення і застосу-ван ня на но час ти нок та на но ком по зитів різного походження, будови і призначення.

Будова та властивості наночастинок

Як що ви хо ди ти ли ше з кваліфікації за розміром, наночастинки можуть бути створені з абсолютно різних за складом, походженням і властивостями матеріалів. Проте

лише деякі з них мають перспективу застосування в біотехнологіях. Корові наночастинки (тобто такі, що можуть бути основою для створення функціональних нанокомпо-зитів) мають, як правило, розмір 1-10 нм. Це відповідає розмірам типових глобулярних протеїнів. Вони значно менші за вірусні частинки (100-200 нм) і, звичайно, за клітини бактерій (~1цм) та вищих організмів (~10-15дм). Деякі наноструктури можуть існувати в різних геометричних формах: наносфер, наностержнів, нанопластинок. Наночастинки можна покривати матеріалом іншої природи, що зумовлює різницю властивостей ядра і оболонки. Товщину оболонки, яка може бути багатошаровою, можна контролювати. Таке різноманіття забезпечує широкий вибір для дослідників.

Є повідомлення [3] про створення нано-матеріалів на основі діоксиду церію та можливість іммобілізації на поверхні отриманих наночастинок із заданими властивостями біологічно активних молекул. Також розглянуто перспективи використання нанокрис-талічного діоксиду церію в біології та медицині. Зокрема, завдяки низькій токсичності й високій кисневій нестехіометрії його можна застосовувати для забезпечення антиоксидантного захисту клітин організму шляхом інак ти вації ак тив них форм кис ню.

Водночас експериментально доведено [4] уш код жу валь ний вплив по рош ко вих на но -час ти нок аморф но го ви со ко дис пе рс но го крем не зе му на тка ни ни внутрішніх ор ганів, у патогенезі якого суттєва роль належить порушенню прооксидантно-антиоксидант-ної рівноваги. Таким чином, інгаляційне над ход жен ня на но час ти нок ви со ко дис пе рс -ного кремнезему (6-7 нм і 54-55 нм) є небезпечним для здоров’я.

Методи хімічної модифікації поверхні багатьох типів наночастинок досить добре розроблено [5]. Це дозволяє створювати нано ком по зи ти різної фор ми, розміру і влас ти -востей. При цьому використовують можливості утворення ковалентних зв’язків на поверхні, а також нековалентних взаємодій, що ґрунтуються на гідрофобно-гідрофільному балансі та взаємодії зарядів.

До за галь них влас ти вос тей на но час ти -нок слід віднести високе співвідношення поверхні та об’єму. Значну кількість атомів і їхніх ре ак тив них груп екс по но ва но на по -верхню, що зумовлює підвищену здатність до утворення ковалентних і нековалентних зв’язків. Ефективну поверхню можна додатково збільшити, застосовуючи пористі та сегментарно-мобільні матеріали. Водночас,

жорсткі комплементарні сегменти поверхні можуть забезпечити вибіркове й ефективне самоскладання, потрібне для створення нано ком по зитів.

Важливою характеристикою наночастинок є мультивалентність у хімічних модифікаціях. Це дає змогу створювати наноком-по зи ти приєднан ням мо ле кул різної бу до ви і в різній кількості [6]. Нижче розглянуто властивості окремих типів наночастинок. Більш детальний їх опис подано в монографії одного з авторів [7].

Напівпровідни кові кван тові точ ки

Велику увагу дослідників до цих матеріалів привернули їхні унікальні оптичні властивості, завдяки яким вони можуть бути не ли ше ос но вою для ство рен ня на но ком -позитів, але й надавати їм здатності поглинати та випромінювати світло і ставати видимими у флуоресцентному мікроскопі. Квантові точки можуть забарвлювати живі клітини, а створені на їх основі нанокомпо-зити здатні реагувати на певні концентрації аналізованих речовин [8, 9].

Слід зазначити, що унікальні оптичні властивості квантових точок виявляються лише у частинок розміром 1-20 нм і не спостерігаються у частинок більшого розміру. Завдяки ефектам «квантового обмеження» їх елект ронні пе ре хо ди відбу ва ють ся так са -мо, як і в органічних молекулах між фіксо-ва ни ми енер ге тич ни ми рівня ми. Але, на від -мі ну від ор ганічних барв ників, дов жи на хвилі їх поглинання і випромінення залежить від їхнього розміру. Зі збільшенням розміру спектри зсу ва ють ся у бік ве ли ких довжин хвиль [8, 10]. Таким чином, різний колір забарвлення можна одержати з одного й того самого матеріалу, утворюваного різними за розміром фракціями наночастинок.

Багато квантових точок є композитами, сфор мо ва ни ми з вузь ко дис пе рс них на но -кристалів CdSe, покритих шаром у декілька атомів іншого напівпровідникового матеріалу ZnS (рис. 2). Оптичні властивості квантових точок становлять інтерес для різноманітного застосування. Їхній спектр поглинання дуже широкий і дозволяє збуджувати флуоресценцію за будь-якої довжині хвилі, коротшої за по ло жен ня спект ра люмінес ценції, а спектр люмінесценції дуже вузький. Саме то му кван тові точ ки ма ють ши ро кий по пит у мікроскопії клітин і в сенсорних технологіях. Вони мають надзвичайно високу яскравість, що визначається добутком молярної абсорбції на квантовий вихід випромінювання.

Рис. 2. Типовий нанокомпозит з ко ро вою кван то вою точ кою.

Схематичне зображення без дотримання масштабу

Ціка вим різно ви дом кван то вих то чок є нанокристали кремнію. Як відомо, кристалічний кремній не здатен до люмінесценції. Проте, в разі зменшення розмірів кристалів до нанометрових, а також у матеріалах з нанометровою пористою поверхнею спостерігається потужна люмінесценція [11]. Такі час тин ки ви ко рис то ву ють у мікрос копії клітин.

Зовсім не просто створити функціональні нанокомпозити з квантових точок. Маючи гідро фобні по верхні, во ни не роз чинні у воді та інших полярних розчинниках, їхню поверхню нелегко модифікувати. Тому значні зусилля дослідників спрямовані на те, щоб зро би ти їх зруч ни ми для хімічних мо дифі -кацій [12]. Для цього розроблено декілька методів [13]:

- ковалентні модифікації для утворення на поверхні наночастинок -NH2-, -SH- та -COOH-груп, які можна застосовувати для приєднання інших молекул;

- створення координатних зв’язків. Зокрема, у випадку ZnS це можуть бути реакції полігістидинів із цинком та тіолів з атомами сірки;

- утворення нековалентних взаємодій, зокрема електростатичної природи, шляхом на не сен ня ша ру поліме ру на йо го по ве рх ню. Для цього можуть бути використані й різні амфіфільні молекули, що зв’язуються з нано час тин кою гідро фоб ною по ве рх нею, екс -понуючи полярні групи. Це робить її розчинною у воді й доступною для ковалентних модифікацій. Зокрема, із цією метою засто-со ву ють калікса ре ни, мо дифіко вані кар бок -сильними групами [14].

Спеціаль но скон струйо вані пеп ти ди мо -жуть поєднувати всі три перелічені вище мож ливості, ство рив ши по ве рх ню для при -ши ван ня різних функціональ но важ ли вих

молекул. Методи біоінженерії (комбінаторний мутагенез і відбір з бібліотек, утворених спонтанними мутантами) уможливлюють отримання невеликих пептидів з великою афінністю і селективністю до таких поверхонь [15]. Для клітинних досліджень можуть бу ти ство рені по верхні з мо но ша ру ліпідів. Для інших зав дань роз роб ле но ме то -ди пок рит тя кван то вих то чок мо но ша ром ок си ду кремнію. Одер жа ний та ким спо со -бом на но ком по зит мо же вклю ча ти декіль ка квантових точок різного розміру і відрізняти ся від інших ком по зитів своїм ба га то ком -понентним спектром люмінесценції. Це дає можливість реалізувати дуже специфічне мічення як наносенсорів, так і живих клітин [16].

Наночастинки благородних металів

Існує декілька простих методів одержання наночастинок зі срібла і золота. Такі частинки набули широкого застосування — від мічення молекул і клітин до медичних засобів і платформ для функціональних наносен сорів. Во ни інтен сив но пог ли на ють енергію світла, здатні її розсіювати, випромінювати та перетворювати на тепло. Можуть бути ефективними гасіями люмінесценції інших молекул, проте за певних умов здатні її й підсилювати. Природа поглинання ними світла — плазмонна абсорбція, спектри поглинання досить вузькі й лежать у межах ~410 нм для срібла і ~540 нм для золота (у частинок — менше ~10 нм). Ці їхні властивості добре вивчено [17].

Наночастинки золота і срібла одержують відновленням солей у розчинах, для чого застосовують різні методи: хімічні, фотохімічні, електрохімічні та ін. [17-19]. Ці процедури проводять у присутності детергентів. Час реакції та концентрація детергента визначають розмір частинок. Модифікацію їхньої по верхні здійсню ють, уво дя чи в ре ак цій не середовище молекули, що містять 8Н-групи [20-21]. Моношар, сформований цими реагентами, уможливлює проведення їх подальшої ковалентної модифікації з приєднанням функціонально важливих молекул.

Синтетичні полімери і дендримери

Здатність полімерних молекул утворю-ва ти на но час тин ки конт роль о ва но го роз мі -ру була відома давно. Полістиролові наночастинки (латекси) навіть використовували як стандарти розміру в мікроскопії і методі

розсіяння світла. Зараз техніку одержання наночастинок добре розроблено для різних синтетичних полімерів: полістиролу, полі-метилметакрилату, поліакрилової кислоти, полівінілхлориду тощо. Для цього застосовують міні-емульсійну полімеризацію [22]. Міні-емульсії — це спеціально підібрані ге-терофазні системи, в яких стабільні нано-краплини однієї фази диспергуються в іншій фазі. Кожна з таких нанокраплинок є по суті на но вимірним ре ак то ром, де відбу ває -ться синтез полімеру. Завдяки такому обмеженню контролюється розмір синтезованих наночастинок. Така техніка дозволяє здійснювати різні реакції полімеризації, зокрема радикальну, аніонну та ензиматичну полімеризацію. Це дає змогу створювати наночас тин ки довіль ної ком по зиції, а та кож включати в них на стадії формування різні органічні чи неорганічні матеріали, наприклад флуоресцентні барвники. Багато можливостей існує для функціоналізації поверхні наночастинок зв’язуванням пептидів, оліго-нуклеотидів, біотину, що може надавати їм функціональних властивостей.

Нанобіосенсорні технології часто потребу ють біль шо го конт ро лю за розміром на но -частинок і локалізації доступних для моди-фі кації по ве рх не вих груп, аніж це мо жуть забезпечити полімерні латекси. У цьому зв’язку увагу дослідників привернули денд-ри ме ри — унікальні мо ле ку ли склад ної си -метричної будови із чітко фіксованими масою і розміром. Це розгалужені полімерні струк ту ри сфе рич ної фор ми, що си мет рич но « розростаються» із центрального гетероциклу в різних напрямках, що й надає їм сферичної форми [23]. Важко повірити, що віднос но прос та син те тич на хімія мо же ство -рити об’єкти такої складності й краси!

Кож на гілка денд ри ме ра мо же рос ти шляхом послідовного розгалуження з дода-ван ням но во го ша ру мо но мерів, ство рю ючи нове «покоління» частинок — макромолекул, де кожна з них має однаковий розмір і однакове число атомів [24] (рис. 3). Найпо-пу лярніші — поліамідо аміно де нд ри ме ри (англ. абревіатура РАМАМ), що є водороз-чин ни ми і екс по ну ють аміног ру пи на своїй поверхні. Внутрішній об’єм дендримерів є сегментарно рухливим, що уможливлює створення порожнин, в які включатимуться молекули лікарських засобів і барвників. Враховуючи можливості ефективної і контроль о ваної мо дифікації по верхні, денд ри ме -ри є придатними для широкого застосування [25].

V & \/;

'ÎSâTi WitV y/'ry^.C'X Чу.

A Aí¿- Ж ïY í-Jr

í

Jf\ 4-CVyí.

Д \ -Cr

Рис. 3. Дендример поліамідоамін (PAMAM).

Хімічна будова (зліва) і модель структури (справа)

Силікатні на но час тин ки

Міні-емульсійна полімеризація може бути використана і для синтезу наночастинок неорганічної полімерної природи. Перевага силікатних (SiO2) наночастинок, так званих «нанопіщинок», перед створеними з органічних полімерів полягає у більшій стабільності їх в органічних розчинниках та за екстремальних значень рН. Вони стійкіші в біологічних середовищах і не руйнуються мікроорганізмами. Перевагою може бути і їхня висока питома маса (1,96 г/см3), що дозволяє легко відділяти останні з роз чинів шля хом се ди мен тації. Поверхнева модифікація та біокон’югація силікатних наночастинок також не створюють проблем, оскільки реактивні групи можна вводити під час синтезу. У літературі детально описано створення наночастинок з поверхневими аміногрупами [26], що можуть бути використані для кон’югацій. На їх основі можна роз роб ля ти різні на но ком по зи ти, зок ре ма з іммобілізованими ензимами.

Негативний заряд поверхні таких частинок може слугувати додатковим фактором стабілізації нанокомпозитів. Окрім того, в них можна дуже легко вводити органічні барвники [27] і люмінесцентні комплекси металів [28], що ро бить їх перс пек тив ни ми для оптичного мічення. Багато сенсорних технологій розроблено саме на цій основі [29].

лення цих клітин. Їх використовують для конт рас ту ван ня ло калізації та ких клітин, а та кож су дин і но во ут во рень ме то дом ЯМР-то мог рафії [32]. Проте най доціль -нішим застосуванням є контроль за участю магнітно го по ля їх ру ху в жи во му ор ганізмі до тканин-мішеней. Такі технології перебувають на початкових стадіях свого розвитку [33], однак тут очікується суттєвий прогрес.

Створення гібридних наночастинок, що поєднують магнітні та оптичні властивості, ста но вить ве ли кий інте рес. Зок ре ма, вже є по відом лен ня про син тез гібрид них на но -частинок, що складються з нанокристалів Fe3O4 та CdSe. Вони зберігають як магнітні, так і люмінесцентні властивості [34]. Можливі численні варіанти їх застосування в інших комбінаціях у процесі створення нано-композитів.

У ро боті [35] розг ля ну то ос новні екс пе ри -мен тальні підхо ди до цілесп ря мо ва но го син -те зу по ве рх не во-ак тив них оліго пе рок сид -них ре чо вин і їх ви ко рис тан ня з ме тою одер жан ня полімер них і гібрид них на но роз -мір них носіїв, яким при та ман на спря мо ва на функціональність та біосумісність. Констру-ю ван ня но вих оліго пе рок сид них сур фак тан -тів, а також їх похідних — координаційних кластерів з катіонами перехідних та рідко-зе мель них ме талів є зруч ним інстру мен том для синтезу люмінесцентних, магнітних та інших функціональних нанокомпозитів із регульованим розподілом за розмірами, функціональністю, ре ак тив ніс тю та біосуміс -ністю. Зап ро по но вані ме то ди доз во ля ють поєднувати стадію формування полімерних, металевих та металооксидних наночастинок зі стадією не о бо рот ної мо ди фікації їхньої по верхні функціональ ни ми по ве рх не во-ак -тивними олігопероксидами, здатними зв’язувати фізіологічно активні речовини. Функ-ціоналізовані таким чином частинки можуть бути застосовані для біологічних досліджень як по ве рх неві клі тин ні мар ке ри, а та кож для доставлення лікарських препаратів.

Магнітні наночастинки і нанокомпозити

Ефективним препаративним прийомом мо же бу ти розділен ня в сус пензії на но час ти -нок за допомогою простого магніту. Однак для ць о го на но час тин ки ма ють бу ти маг ніт -ними і містити нанокристали оксидів заліза. Як правило, тут застосовують суперпарамаг-нітний Fe3O4, що виявляє свої властивості лише за наявності зовнішнього поля [30, 31]. Такі частинки можуть захоплюватись клітинами-мішенями і слугувати для розді-

Кон’юговані полімери

Відкриття і дослідження цих полімерних молекул було пов’язано з їхніми властивостями як електропровідних полімерів. За результатами досліджень групу дослідників у 1980 році було відзначено Нобелівською премією з хімії. Відкриття унікальних оптичних властивостей цих молекул стало великим стимулом для розроблення надчутливих флуоресцентних сенсорів із широким полем застосування.

Кон’юговані полімери — це полімери з не-насиченими зв’язками між мономерами, що в їхніх структурах відображено як чергування одинарних і подвійних зв’язків (чи ароматичних груп), унаслідок чого система делокалізо-ваних п-електронів розміщена по всій довжині полімеру [36]. Завдяки такій п-електронній кон’югації між мономерами полімерний ланцюг демонструє колективні ефекти в поглинанні й випромінюванні світла. Хімія цих молекул невпинно розвивається. Для збільшення розчинності у воді в їхню структуру вводять полярні групи, а також групи, що забезпечують міжмолекулярну взаємодію при створенні нанокомпозитів і надання їм векторних та сенсорних функцій. Їх можна використовувати для поверхневої модифікації інших наночастинок [37], а також створювати з них дендримерні структури [38].

Фулерени і вуглецеві нанотрубки

У створенні біонанокомпозитів беруть участь і фулерени. У разі включення в силікатні наноматеріали вони можуть випромінювати інтенсивну флуоресценцію, і це дає можливість застосовувати їх у мікроскопії [39].

Трубчасті структури — це, мабуть, найбільш механічно жорсткі й функціонально багатогранні модулі для побудови нанокомпозитів. Сформовані у вигляді циліндрів, вони ма ють чітко виз на че ний внутрішній і зовнішній об’єм. Такими є вуглецеві нанотрубки. До гідних уваги властивостей цих структур слід додати здатність до люмінесценції в близькій інфрачервоній ділянці спектра, що може бути використано при конструюванні оптичних сенсорів [40].

Фулеренам притаманні як унікальні фі-зико-хімічні, так і різноманітні біологічні властивості, а саме: здатність проникати крізь клітинні мембрани та локалізуватись усе ре дині кліти ни, ви яв ля ти ан ти бак те ріа -льні та антивірусні ефекти, впливати на сигнальні системи клітини, на активність окремих ен зимів та про це си пе рок сид но го окиснення ліпідів, а також анти- та проок-сидантні властивості. Вивчають фізико-хі-міч ні влас ти вості та біодос тупність но во го класу наносполук — фулеренів С60, способи їх уведення в біологічні системи, токсичність та перс пек ти ви ви ко рис тан ня як біо ло -гічно активних сполук [41].

У дослідах на ми шах роз роб ле но тех но ло -гію застосування фулеренів С60 у комбінованій те рапії з док со рубіци ном для ліку ван ня злоякісних пухлин і доведено можливість їх використання у протипухлинній терапії [42].

Методи хімічної модифікації вуглецевих нанотрубок для потреб створення нанокомпозитів постійно удосконалюються [43]. У літературі описано створення нанокомпозитів з металевими і напівпровідниковими наночастинками [44].

Вуг ле цеві на нот руб ки взаємодіють з біо -полімерами. Було виявлено, що одноланцю-гова ДНК (ssDNA) взаємодіє з вуглецевими нанотрубками, спонтанно обгортуючи їх під час утворення п-стекінгу між нуклеотидни-ми основами і стінками нанотрубок [45]. Уве ден ня в сис те му комп ле мен тар них мо ле -кул ДНК розриває цей зв’язок, що може стати підґрун тям для роз роб лен ня ДНК-сен со -рів [46]. Щодо застосування таких нанотрубок in vivo, то існує певна пересторога з огляду на їхню токсичність.

З використанням методу електронного парамагнітного резонансу та спінових уловлювачів встановлено генерацію супероксидних аніон-радикалів опроміненням у видимій і близькій ІЧ-ділянках світла багатостінни-ми вуглецевими нанотрубками, що містились у водній суспензії. Спостерігався ефект са-моінду ко ва ної ге не рації ак тив них форм кис -ню і після припинення фотоопромінення. Зроб ле но при пу щен ня що до зас то су ван ня фотозбуджених багатостінних вуглецевих нанотрубок у фотодинамічній терапії злоякісних пухлин [47].

В одному з останніх оглядів із цієї тематики [48] йдеться про структуру, хімічну функціоналізацію, електронні та механічні влас ти вості вуг ле це вих на нот ру бок і їх практичне використання в нейроінженерії як ефек тив них субстратів для куль ти ву ван -ня нейронів, синтезу нейропротекторів та як блокаторів іонних каналів. Дія аміномо-дифікованих одностінних вуглецевих нано-тру бок ак ти вує за хисні функції нер во вої тка ни ни що до ішемічно го уш код жен ня та змен шує ділян ки інфарк ту міокар да, спри -чи не но го ок люзією се редньої моз ко вої ар те -рії у щурів.

Структури, сформовані пептидами

Здатність пеп тид но го лан цю га фор му ва -ти тривимірні структури різної складності та функціонального призначення стимулюватиме дослідників ще багато років. Варіації послідов нос тей, сфор мо ва них 20 аміно кис -лотними залишками, дають неосяжну кількість варіантів таких структур. Зокрема, існують пептиди, що здатні самоскладатися, фор му ю чи над мо ле ку лярні труб часті ут во -рення. Цілком логічним було б використову-

вати їх як основу нанокомпозитів [49]. Най-біль ший інте рес у ць о му сенсі ста нов лять циклічні пептиди, сформовані чергуванням L- і D-амінокислот. Такі планарні кільця здатні складатися у стос із внутрішнім вільним об’ємом [50]. Ці структури, прошиті водневими зв’язками, дуже стабільні; їх створення просте і доступне. Нескладним пеп тид ним син те зом і хімічни ми мо дифі ка -ціями можна отримувати нанокомпозити, де функціональні елементи приєднано в потрібних місцях.

Інший тип наночастинок, сформованих пеп ти да ми, ство ре но за прин ци пом амфі -фільності. Послідовне чергування полярних і неполярних амінокислотних залишків приз во дить до фор му ван ня струк тур, подіб -них до тих, що створюються ліпідами [51]. Є багато можливостей для отримання функ-ціо наль них мо ле ку ляр них асоціатів, по бу -дованих за цим принципом.

Третій прин цип фор му ван ня пеп тид них на но час ти нок бу ло за по зи че но з відо мих прик ладів ут во рен ня амілоїдних фібрил при деяких нейродегенеративних хворобах. Такі структури утворюються антипаралельними ß-складками. Вони винятково стійкі до змін умов се ре до ви ща і до роз щеп лен ня про те а за -ми [52].

Пептидні структури можуть бути додатково прошиті ковалентними зв’язками. Проте часто в цьому навіть нема потреби, оскіль ки ко лек тив на дія не ко ва ле нт них взаємодій (електростатичних, гідрофобних і водневих зв’язків) уможливлює створення наноструктур достатньої міцності.

ДНК як мат ри ця для на но ком по зитів

Поп ри надз ви чай но важ ли ву біологічну роль ДНК і РНК вважаємо за доцільне роз-гля ну ти оліго- і полінук ле о ти ди різної дов -жини як матриці для побудови нанокомпо-зи тів. Їхня ве ли ка пе ре ва га по ля гає у можливості сконструювати композити зі строго детермінованим розташуванням елементів, що мо же бу ти зап рог ра мо ва но послідовністю ос нов нук леїно вої кис ло ти [53]. Прикладом такого підходу може слугувати робота [54], в якій основи дезоксиури-дину було модифіковано шляхом приєднання порфіринів. Останні могли включатися специфічно в певні елементи послідовності, доз во ля ю чи приєднан ня но вих її ком по -нентів.

На молекулі ДНК як на наноструктурній матриці відбувається самоскладання нано-композитів складної та навіть ієрархічної

будови, причому може досягатись не лише потрібна послідовність елементів, а й пра-виль на їх прос то ро ва орієнтація [55]. При єд -нання до довголанцюгової ДНК коротколан-цю го вих її фраг ментів з ут во рен ням сегментів подвійної спіралі дає змогу створити досить складну просторову структуру, а до модифікованих біотином коротких ланцюгів молекул стрептавідину — нанокомпозити складної будови. Таким способом фінські дослідники [56] відтворили на суп-рамолекулярному рівні (розділення ~6 нм) національний символ України — тризуб (рис. 4). Оскільки техніку нарощування наноструктур через молекули стрептавідину досить добре розроблено, можливості кон-стру ю ван ня та ких струк тур прак тич но не об -межені.

••••••І §с

D0§0§0J°00§(

35.0 nm

Рис. 4. ДНК із сегментами подвійної спіралі як матриця для контрольованого з’єднання з молекулами стрептавідину:

а — схематичне зображення створюваної структури, що має нагадувати національний символ України — тризуб; Ь — відображення створених структур; с — одна зі структур за великого збільшення (показує високу точність складання потрібної структури)[56]

На но час тин ки повністю біологічної при ро ди

Ви ко рис тан ня при род них на но час ти нок на основі спор бактерій, вірусів тощо як основи створення нанокомпозитів має свої переваги і недоліки. До переваг слід віднести їхню природну однорідність за розміром та можливість чіткого контролю за доступністю поверхневих груп, які можуть бути задіяні для хімічної модифікації і створення структур більшої складності. Компоненти

а

таких структур можна створювати за допомогою генно-рекомбінантних методів, а їх складання контролювати різними інструментальними засобами. До недоліків слід віднести їхню низьку стабільність до підвищеної температури та дії інших факторів сере до ви ща. Їм неп ри та манні ті надз ви чай но корисні властивості металевих чи напівпровідникових наночастинок, що обговорювалися вище. Проте розробки на їх основі тривають. Показано, зокрема, що деякі безпечні для людини віруси можуть специфічно взаємодіяти з раковими клітинами і нести лікарські засоби для їх враження [57]. Різноманітні протеїнові компоненти можуть бути експре со вані на по верхні бак теріаль них спор [58], що надає їм високої специфічності та розширює можливості застосування.

Створення нанокомпозитів

Хімічний синтез, що є ефективним для малих молекул і лінійних полімерів, має великі об ме жен ня у ство ренні струк тур ве ли -кої складності. Нові рішення потрібні при роз робленні гібрид них на но ком по зитів з не -органічних, синтезованих органічним син-те зом і при род них еле ментів. То му функ ціо -нальні наноструктури, як правило, ство рю ють на ро щен ням і приєднан ням го то -вих функціональних блоків.

Самоскладання надмолекулярних систем

Формування наноструктур самоскладан-ням ґрунтується на принципі комплемен-тарності між партнерами і стабілізації утворе ної струк ту ри шля хом фор му ван ня низ ки нековалентних взаємодій. Завдяки колективному характеру цих взаємодій зв’язок між партнерами може досягати міцності ковалентного зв’язку. Оскільки весь біологічний світ побудований на принципах само-скла дан ня і са мо ор ганізації, цілком

ло гічним є їх ви ко рис тан ня для ство рен ня склад них над мо ле ку ляр них струк тур. Електростатичні взаємодії, сольватаційні ефекти (які часто відносять до гідрофобних взаємодій) та водневі зв’язки є основними рушіями в цих процесах. Розглянемо більш де таль но задіян ня вод не вих зв’язків.

Водневі зв’язки є короткодіючими, одно-сп ря мо ва ни ми і спе цифічни ми. З енергією 10-15 kJ/моль ці зв’язки індивідуально дуже слабкі, проте їх колективна дія може спри я ти ут во рен ню струк тур з ве ли кою міц -ністю. Варто нагадати, що саме вони стабілізують а-спіраль у протеїнах і подвійну

спіраль ДНК. Простий димер з утворенням цих зв’язків між донорними (Д) і акцептор-ними (А) групами типу ААДД вже здатен утворювати досить міцний зв’язок з константою димеризації 5108 М-1 [59]. Такі модулі можуть бути ефективно використані при са-москладанні. Багато з них описано в літературі й використовується дослідниками [60].

Інший принцип самозбирання — нашаровування на наночастинку «шар за шаром» — ґрунтується на електростатичних взаємодіях за ряд же ної по верхні ко ро вої час тин ки або нижнього шару з полімером, що несе протилежний заряд і нашаровується мономолекулярним шаром [61]. Цей принцип може бути також застосовано для створення на нок рис талічних ком по зитів [34, 62] та ком по зитів на нок рис талічних час ти нок з кон’югованими полімерами [63].

Серед протеїнових систем, здатність до самоскладання яких використовують у біо-технології, слід назвати S-протеїни. Ці молекули можуть самозбиратись у стабільні двовимірні кристали — S-шари [64]. Кон’югація із цими протеїнами є одним із ме тодів ство рен ня на но ком по зитів.

Афінне з’єднання

Багато прикладів реалізації принципу афінного з’єднання дає нам жива природа. Це і взаємодія антиген — антитіло, і утворення волокон фібрину, і взаємодія ензимів з макромолекулярними інгібіторами. Проте в біотехнології найбільш вживаною при створенні міцних міжмолекулярних взаємодій виявилась пара біотин-авідин (або його бак теріаль ний ана лог стреп тавідин) [65]. Протеїн авідин було знайдено в білку курячого яйця. Він зв’язує досить малу молекулу біотину (244,31 Dа) з унікально високою афінністю (1014-1015 М-1). Це — найвища афінність за нековалентної взаємодії з відомих у хімії та біохімії. Оскільки кожна молекула авідину зв’язує 4 молекули біотину, ця пара має широкі можливості у разі створення надмолекулярних структур. Стрепта-відин, що продукується в бактеріях, має підвищену стабільність до коливань рН і температури. Провести афінне з’єднання цієї пари дуже просто. Якщо стреп-тавідин-мономер з масою 60 kDа є частиною од но го з ком по нентів на но ст рук ту ри, а біотин зв’язаний з другим, то ці компоненти зна хо дять один од но го в роз чині й не о бо рот -но зв’язуються.

Той факт, що органічна хімія досі не спромоглася запропонувати заміну авідину

та стрептавідину, виглядає досить дивним, адже в цьому напрямі було багато спроб. Будемо сподіватися, що якась із них виявиться успішною, і біотехнологія одержить продукт, що зда тен кон ку ру ва ти із ци ми про теїнами за простотою, стабільністю й вартістю.

Покриття наночастинок ліпідним бішаром

Ліпідні бішарові структури, що є основою біомемб ран, мо жуть ут во рю ва ти ся спон тан но, фор му ю чи струк ту ри із замк не -ним об’ємом з мінімальним розміром близько 50 нм. Вони дістали назву ліпідних везикул або ліпосом. Запропоновано використовувати їх як носії ліків, проте на заваді цьому постала їхня низька стабільність. Коло їх застосування може бути істотно розширено в разі ут во рен ня на но ком по зитів за прин ци -пом ядро-оболонка, де ліпідний бішар відіграє роль оболонки, а ядром можуть слугувати наночастинки різного походження. Прик лад ут во рен ня та кої струк ту ри на ве де -но на рис. 5.

К°рова Фосфоліпідний

модифікують поверхню

Рис. 5. Схематична ілюстрація самоскладання ліпідного бішару навколо корової наночастинки

Ядро визначає розмір і форму композита і стабілізує цю структуру. Його можна обирати з багатьох варіантів, що зумовлюють його практичне застосування. Так, воно може бути магнітним [66], і це полегшує відокрем-лен ня на но ком по зитів з ре акційно го чи до -сліджуваного середовища, або флуоресцентним, що зумовлює їх візуалізацію [67].

Бішарова структура може включати специфічні молекули, що здатні зв’язуватися з певного типу молекулами і клітинами. На-п рик лад, інтег ро ва ний у бішар моносіало-гангліозид GM1 здатен специфічно зв’язувати холерний токсин і може бути використаний для його кількісного визначення [68].

Відомі також синтетичні аналоги ліпосом, що дістали назву полімерсом. Їх конструюють із блок-кополімерів з підвищеною

стабільністю [69]. Галуззю їх застосування має бу ти пе ре дусім дос тав лен ня лікарсь ких засобів до клітин-мішеней [70].

Пептиди, що специфічно зв’язуються з поверхнею наночастинок

Як відомо, тіолові й сіланові зв’язки домінують як модифікатори поверхні наночас ти нок із бла го род них ме талів і ок сидів, відповідно. Проте останнім часом у багатьох роботах пропонують покривати їх протеїнами, пептидами і нуклеїновими кислотами, чим досягається висока афінність з’єднання. Зокрема, для пошуку пептидів, що зв’я-зу ють ся з на но час тин ка ми, здійсню ють від -бір пептидів з великих бібліотек, створених за допомогою методів генної інженерії [15, 71]. Цікаво, що такі пептиди можуть демонструвати дивовижну вибірковість до певного типу неорганічної поверхні, не зв’язуючись із по ве рх ня ми інших типів.

Підсумовуючи викладене в цьому розділі, слід зазначити, що сучасні методи моди-фі ка ції по вер хонь, а та кож афінно го з’єднання і самоскладання супрамолекуляр-них структур дають дослідникові потужні інстру мен ти для констру ю ван ня на но ком по -зитів з потрібними властивостями. Маючи на меті біотех нологічне та біоме дич не зас то -сування, дослідник має добре розуміти фізичні й хімічні властивості наноструктур і модифікувати їх відповідно до поставлених завдань.

Біокаталітичні нанокомпозити

Технологічне застосування ензимів має на меті їх використання в умовах, відмінних від тих, у яких вони функціонують у біологічно му се ре до вищі. На нобіотех но логія пропо нує нові умо ви і нові нап ря ми зас то су -вання ен зимів. Вклю чен ня ен зимів у на но -ст рук ту ри дає змо гу не ли ше підви щи ти їхню стабільність, але й ство ри ти на но ре ак -то ри з особ ли ви ми умо ва ми їх функціону -вання. Адже відомо, що хімічні реакції у нанопросторі відбуваються інакше, ніж у макрооб’ємах [72]. Такі нанопростори можуть бути утворені самоскладанням нано-ком по зитів. На ць о му шля ху навіть сти ра -ються межі між хімічним каталізом і біокаталізом, оскільки реакціями в наноструктурах можна успішно моделювати ензиматичні процеси [73], а спрямований хімічний син тез на на но час тинці мо же створити модель ензиму з бажаною активністю [74].

Іммобілізація і коіммобілізація ензимів на на ночас тин ках

Іммобілізовані ензими вже давно вийшли за межі лабораторних досліджень і міцно увійшли у ви роб ни чу прак ти ку. Вод но час триває пошук носіїв, які б робили іммобілі-зо вані ен зи ми мак си маль но ефек тив ни ми, і наночастинки демонструють тут свої істотні пе ре ва ги [75]. Окрім ве ли ко го співвідно -шення поверхні й об’єму нанорозмірні біокаталітичні системи демонструють й інші гідні уваги властивості: високу рухливість у реакційному середовищі, різноманітні ефекти від наявності нанопор і взаємодій між на-ночастинками (рис. 6). Також вони забезпечу ють ви со ку стабільність і оп тимізу ють біокаталіз. Наночастинки на магнітній ос-но ві по лег шу ють конт роль за пе ребігом ре -акцій і спрощують технологічні процеси.

а 0°-°0

Рис. 6. Два способи включення молекул ліків у дендример: а — модифікація поверхні; Ь — не-ковалентне включення у внутрішній об’єм

До цих переваг можна додати ще одну: іммобілізація на наночастинках дає змогу з великою точністю зібрати кластер ензим-них молекул, що каталізує каскад біохімічних перетворень. У таких кластерах продукт однієї реакції не дифундує далеко в розчин, а захоплюється іншим ензимом з відповідним перетворенням [76]. Це робить мультиензим-ні реакції подібними до тих, що відбуваються в живій клітині, і дуже ефективними.

Високої точності самоскладання мульти-ен зим но го комп лек су мож на до сяг ти, ви ко -ристовуючи ДНК як нанорозмірну матрицю. Таку можливість було нещодавно продемонстровано на прикладі іммобілізації комплексу з глюкозооксидази і пероксидази з активацією біензимного каскаду реакцій [77].

Обер нені міце ли як на но ре ак то ри

Обер нені міце ли — це на но мет ро во го розміру молекулярні асоціати з детергентів, що в не по ляр но му роз чин ни кові ут во рю ють полярний внутрішній об’єм, здатний включати ензими разом з їхньою гідратною оболонкою, а також водорозчинні субстрати

і продукти реакцій. У біотехнологічних процесах вони набули широкого застосування для екстракції та розділення протеїнів, а також для проведення реакцій з малорозчинними у воді субстратами, чи таких, де утворюються малорозчинні продукти. Цей напрям і далі активно розвивається [78].

Полімер со ми як на но се ре до ви ще для біореакцій

Полімерсоми, утворені самоскладанням синтетичних блок-кополімерних молекул, є стабільними наноутвореннями. Завдяки мож ли вості вклю чен ня в їх внутрішній об’єм сизимів та створення пор для прохо -дження субстратів і продуктів реакцій вони можуть бути ідеальними нанореакторами. Більш того, підбір умов «наносередовища» доз во ляє зміни ти нап ря мок ре акцій — від гідролізу до полімерного синтезу [79].

Тех но ло ги вчать ся у при ро ди не ли ше компартменталізації каталітичних реакцій, а й створенню умов для перетворення субстратів у каскаді реакцій, де продукт однієї реакції стає субстратом іншої. Як виявилося, міцели і ліпосоми недостатньо стабільні для цього, а полімерсоми підходять ідеально [80].

Прис ко рен ня біохімічних ре акцій у нанокомпозитах

Ви ко рис тан ня мікрох виль для прис ко -рення хімічних реакцій має широке коло зас то су ван ня і навіть зу мо ви ло ство рен ня спеціальних приладів [81]. Прогрес у біокаталізі скромніший, він об ме же ний спос те ре -жен ням зрос тан ня ак тив ності гіпертер -мофіль них ен зимів, що май же не ак тивні за звичайних умов [82]. Проте останнім часом з’явилися повідомлення, що трипсин, іммо-бі лізо ва ний на по верхні силікат них мікро -сфер із включеними магнітними наночас-тин ка ми, знач но підви щує ак тивність за дії мікрохвиль [83]. Утім, відомо, що саме металеві наночастинки здатні, поглинаючи мікрохвильове випромінення, розігріватися ло каль но, роз пов сюд жу ю чи нагрів ли ше на молекулярні відстані й не змінюючи температуру основного середовища. Цим скористалась група дослідників [84], яка домоглася значного прискорення зв’язування аналітів молекулярними сенсорами (зокрема, антитілами), росташованими на поверхні металевих наночастинок. Такий підхід, перенесений на завдання біокаталізу, дасть змогу не лише підсилити дію ензимів, а й управляти нею в широких межах.

Препаративні нанобіотехнології

З розвитком нанобіотехнології такий звичний для кількох поколінь біохіміків метод фракціонування, як колонкова хрома-тог рафія, мо же відійти в ми ну ле. На но ком -позити можуть простіше й ефективніше зв’язувати і вилучати певний компонент суміші, а їх регенерація зводиться до простої процедури «у колбі».

Афінна сорбція як метод розділення речовин у суміші невпинно вдосконалюється і використовує як класичні макромолеку-лярні ліганди, так і нові засоби, зокрема молекулярно-імпринтовані полімери. Це такі полімери, що містять афінні сайти, створені під час їх синтезу в присутності речовини, яку треба виділити або аналізувати. Полімерні лан цю ги щіль но об ля га ють мо ле -кули цієї речовини і створюють максимум взаємодій. Далі речовина видаляється, але ці сайти залишаються. Таку процедуру можна провести з наночастинками таким чином, щоб імприн то ва ний полімер ут во рив ся нав -коло наночастинки [85]. Це може бути магнітна наночастинка [86] чи квантова точка [87]. Важливо, що ця технологія уможливлює розроблення сорбентів, здатних до вибіркового зв’язування широкого класу речовин — від малих органічних молекул до вірусів.

Переваги афінних нанокомпозитів були б неповними, якби вони не забезпечували простіше, швидше й ефективніше виділення потрібних речовин. Тут до класичних методів фільтрації та діалізу додається більш ефек тив на се ди мен тація і мож ливість, у разі магнітних частинок, використовувати магніт не по ле. Зав дя ки ви сокій пи томій масі ба -гать ох типів на но час ти нок (нап рик лад,

1,96 г/см3 для силікатів і 19,3 г/см3 для золо та) розділен ня на но час ти нок із сор бо ва ними на них речовинами на основі седиментації є дуже простим. Ще простішою виглядає про-це ду ра для магнітних на но час ти нок [88]. Після осадження за допомогою гравітаційного чи магнітного поля залишається проста операція видалення адсорбованої речовини і регенерації нанокомпозитів.

Нанокомпозити в клітинних дослідженнях

Ця величезна галузь застосування потребує багатопланового системного розгляду. Ми тут зупинимось лише на деяких аспектах. Слід зауважити, що найбільш ефективними в клітинних дослідженнях є методи побудови зображень з оптичною і, зокрема, флу о рес це нт ною відповіддю. Ці ме то ди да -

ють змогу одержати роздільну здатність на рівні сотень нанометрів, тобто того самого порядку або навіть меншого, ніж довжина хвилі світла ви ди мо го діапа зо ну (400-750). Спе цифічні ж елект ронні влас ти вості на но -матеріалів можна спостерігати на шкалі одиниць до десятків нанометрів, і такі нано-частинки виглядають у мікроскопі як точкові випромінювачі. Вони на декілька порядків менші, аніж клітини (розмір найменших бактеріальних клітин ~1 000 нм). Це свідчить про те, що наночастинки і їх композити цілком придатні для побудови внутрішньоклітинних зображень.

Вище було відзначено унікальні фотофі-зичні властивості квантових точок і великі переваги їх застосування у складі флуорес-це нт них на но ком по зитів. До дат ко вою пе ре -вагою їх у клітинних дослідженнях є досить тривалий час флуоресценції (10-40 нс) — більш ніж на один порядок довший за власну флуоресценцію (свічення клітинних пігментів). Тому таку фонову флуоресценцію відсікти дуже просто в інструментах із часовим виміром [89]. Нова техніка двофотонної мікроскопії [90] також ідеально підходить до квантових точок.

Однак існує ще багато невирішених проблем щодо функціоналізації квантових точок

і введення їх у клітину [91]. Ці питання слід вирішувати комплексно, з урахуванням постав ле них зав дань. Од не із зап ро по но ва них рішень полягає у зв’язуванні катіонних пептидів, що проникають у клітину [92].

Контрастні агенти в томографії

Ме то ди візу алізації ор ганів і тка нин у клінічних дослідженнях пройшли величезний шлях — від Пулюя і Рентгена до сучасних методів ЯМР-томографії, позитронної емісійної томографії (PET) і комп’ютеризованої рентгенівської томографії. Кожен із цих методів має свої недоліки, і спеціалісти роз роб ля ють різні мож ливі прийо ми для їх ефективної комбінації. У такій комбінації на но час тин ки мо жуть відігра ва ти вкрай важ ли ву роль, підви щу ю чи розділь ну здат -ність та інформативність зображень [93]. Особливу надію покладають на наночастинки композиційної структури, які мають за-до воль ни ти су часні ви мо ги до цих ме тодів з од но час ною мож ливістю їх кон це нт рації в об’єктах дослідження, що досягається шляхом біомодифікацій.

Магнітні наночастинки здатні підсилювати сигнал ЯМР, і їх уведення підсилює контраст в ЯМР-томографії [94]. Перше

покоління таких контрастних агентів уже уві йшло в клінічну прак ти ку [95]. На но роз -мірні частинки можуть включати радіонукліди (зокрема 124І), що потрібно для РЕТ,

і ато ми важ ких ме талів, які підси лю ють конт раст в рент генівській то мог рафії. Вкрай важ ли ви ми є влас ти вості по верхні та ких частинок. Антитіла, лектини чи аптамери на їхній по верхні здатні за без пе чи ти їх зв’язування з певного виду клітинами. Особливого значення ці нові підходи набувають у разі конт рас ту ван ня ра ко вих пух лин.

Як альтернативу поширеним методам томографії можна розглядати флуоресцентну томографію, що має свої недоліки і переваги [96]. До недоліків слід віднести низьку проникність видимого світла в живі тканини, його сильне екранування і розсіяння. Фактично лише вузький діапазон у близькій ІЧ-ділянці спектра (800-1 100 нм) доступний для цього методу, що потребує спеціальної апаратури для дослідження. А до потенційних переваг належить висока інформативність методу у відтворенні метаболічних процесів, оскільки введені флуорофори є не контраст-реагентами, а власне генераторами сигналу. Для його реалізації потрібні не лише 3D-сканери з високим просторовим і часовим розділенням та потужні програми обробки даних, а й флуорофори нового покоління. Великі надії тут покладають на квантові точки, оскільки вони мають дуже високу яскравість і здатні до дво-фотонного поглинання у близькій ІЧ-ділянці з випроміненням у видимому діапазоні, тобто можуть ефективно контрастувати лімфатичні вузли і ракові пухлини. Показано навіть можливість хірургічних операцій під без по се реднім конт ро лем вип ромінен ня квантових точок [97].

Підсумовуючи вищенаведене, слід визнати, що жоден із методів томографії не є ідеальним. Для ЯМР-томографії характерні достатнє просторове розділення, але низька чутливість, а для РЕТ, навпаки, — висока чутливість за низького розділення [98]. Великі проблеми, пов’язані з поглинанням і розсіянням світла, стоять перед флуоресцентною томографією. Тому найбільш перспективною вважають комбінацію з декількох методів, а для цього необхідні багатофункціональні контраст-агенти і репортери [98]. Водночас це потребує створення нанокомпозитів складної будови.

На но фар мацевтика та на но ме ди ци на

На нобіотех но логія про по нує ме то ди

і продукти, що зумовлюють радикальні зміни в клінічній практиці. Найбільший прог-

рес спостерігається в діагностиці і лікуванні таких хвороб, як рак, інфекційні та нейро-дегенеративні патології.

Доставлення та контрольоване вивільнення ліків

Переходячи від властивостей наночастинок і нанокомпозитів до їх застосування, розглянемо найважливіші з них. Передусім це, безумовно, нанокомпозити-транспорте-ри, що дають змогу адресно і дозовано спрямовувати лікарські засоби до клітин живого організму [99]. Як відомо, більшість засобів, використовуваних у сучасній медицині, є малими молекулами з функціями інгібу-ван ня ок ре мих ен зимів, бло ку ван ня іон них каналів чи модуляції відповіді клітинних ре цеп торів. До вкрай важ ли вих лікарсь ких засобів належать пептиди і протеїни, зокрема інсулін. І, зрештою, в це коло починає вхо ди ти ДНК ра зом з тех но логіями ген ної терапії. Їхню ефективність можна поліпшити шля хом про су ван ня у двох нап ря мах: ство рен ням умов для век тор но го дос тав лен -ня ліків у клітини ураженої тканини і задіян-ням механізмів контрольованого вивільнення цих ліків у тканинах-мішенях. Нанокомпо-зи ти мо жуть ви ко ну ва ти такі функції

і навіть поєднувати їх (рис. 7).

НАНОЕНЗИМНІ НОВІ

КОМПОЗИТИ ВЛАСТИВОСТІ

Рис. 7. Ілюстрація нових можливостей в ензимних технологіях

Уп ро довж ба гать ох років учені роз роб ля -ли фармакологічні засоби доставлення ліків на основі ліпосом [100]. Ліпосомні (на основі фос фоліпідів) фор ми ліків доб ре зас во ю ють -ся організмом і дають можливість доставляти до клітин-міше ней мо ле ку ли різно го розміру і полярності, включаючи антитіла. Одер жан ня ліпо со маль них лікарсь ких форм досить просте, проте їхня стабільність невисока. Тому багато зусиль було спрямовано на їх стабілізацію, зокрема шляхом нанесення по ве рх не во го ша ру поліме ру (та ко го, як поліетиленгліколь) і прошивання ковалентними зв’язками [101]. Такі ліпо со ми ви ко -рис то ву ють для збіль шен ня ефек тив ності

і зниження токсичності водорозчинних анти ра ко вих пре па ратів, і де які з них вже увійшли в клінічну практику. В ліпосоми легко вбудовуються молекули, споріднені до клітин-мішеней. Успіх і недоліки ліпосом-них технологій надихають учених на пошук нових рішень. Для зв’язування, утримування і повіль но го вивіль нен ня лікарсь ких ре -човин почали використовувати нанорозмір-ні частинки полімерних гідрогелів [102] та дендримери [103, 104] (рис. 8).

На зміну ліпо со мам при хо дять полімер -соми — подібні до них структури, сформовані скла дан ням син те тич них полімерів [105]. Хімічний синтез дозволяє контролювати властивості цих блок-кополімерів і їх складання в наноструктури з вільним внут-

ЕТАПИ

ФАРМАКОКІНЕТИКИ

РЕАЛІЗАЦІЯ

Контрольоване

вивільнення

Біодеградований або термочутливий полімер Магнітні або металеві частинки для локального розігріву

Рис. S. Поліфункціональні на но ком по зи ти у фармакології та типові носії цих функцій

рішнім об’ємом для включення ліків та роз-ви не ною по ве рх нею, що умож лив лює про ве -дення різноманітних хімічних модифікацій з метою збільшення ефективності доставлення цих ліків. Розробляються фактори, інтег рація яких в поліме со ми доз во лить конт роль о ва но вивіль ня ти з них ліки [106].

Ве ли кою проб ле мою під час ліку ван ня пухлин мозку, а також нейродегенератив-них хвороб є подолання гематоенцефалічно-го бар’єра, що захищає клітини мозку від чу жорідних ре чо вин. Про те, як по ка зує досвід провідних лабораторій, і в цьому разі функціональні наночастинки можуть бути використані як ефективні носії ліків [107].

А чи мож на уп рав ля ти кон це нт ру ван ням ліків у певній тканині організму? Чи можна їх вивіль ня ти з на но час ти нок імпульс но, у певний час і спосіб? Нанобіотехнологія пропонує оригінальні й ефективні рішення таких складних завдань. Нанокомпозит, на-пов не ний ліка ми, мо же місти ти інтег ро ва -ний центр специфічного зв’язування з клі -тиною-мішенню, що забезпечить специфіку дії ліків. Додаткові нанокристалічні включен ня па ра магнітних ок сидів заліза доз во -лять концентрувати нанокомпозити в певному місці організму за допомогою магнітного по ля, а та кож уп рав ля ти вивіль нен ням ліків за до по мо гою ло каль но го нагріван ня [108]. Термочутливі полімери, у структуру яких включено ліки і які мають температурно-залежний структурний перехід, вивільняють ці ліки у процесі нагрівання [109]. Роз роб ля ють та кож різні варіан ти вивіль -нення лікарських препаратів під дією світла та інших ком по нентів про ник но го елект ро -магнітного випромінення [110]. Іде пошук шляхів до пов но го уп равління вивіль нен -ням ліків з ви ко рис тан ням сиг налів зво рот -ного зв’язку від пов’язаних з хворобою змін пев них функцій ор ганізму, кон це нт рацій метаболітів тощо.

Ці досягнення відкривають нові обрії для клінічної практики. Серед останніх досягнень — таблетки інсуліну, які можна ковтати і які умож лив лю ють йо го пос ту по ве вивіль нен ня із шлун ко во-ки шеч но го трак ту в кров’яне русло [111].

Генна терапія передбачає доставлення певних генів у живі клітини, що потребує до поміжних фак торів — век торів. Ефек тив -ними векторами є віруси; їх широко застосовують у дослідженнях. Проте, існують стійкі упередження щодо використання вірусів у генній терапії, передусім те, що вони токсичні й антигенні. Тому для заміни вірусів активно про во дять по шук ліпідних і полі мер них

композицій [112]. У цих спробах синтетичні катіонні ліпіди і во до роз чинні не ре гу лярні катіонні поліме ри пос ту па ють ся місцем денд ри ме рам [104]. Маючи високовпорядко-вану структуру, вони дають змогу здійснювати різноманітні хімічні модифікації, що є перс-пек тив ним для розпізна ван ня в генній те ра -пії певного типу клітин. Біфункціоналізовані неорганічні нанокристали також запропоновано для цієї мети [113].

Структуру і властивості таких рукотворних комп лексів мож на зро би ти складніши -ми, вклю чив ши до дат кові функціональні мо ле ку ли. Зок ре ма, існу ють спро би ство рен -ня на но ком по зитів, що містять як ге мо -глобін, так і фібриноген або його пептидний фрагмент [119]. Їх доцільно застосовувати у випадках, коли значна втрата крові вимагає до дат ко во го вве ден ня фак торів, що за -безпечують її зсідання для загоєння ран.

Клітин на те рапія

Багато вчених пов’язують майбутній прог рес клінічної ме ди ци ни з мож ли вос тя -ми зас то су ван ня стов бу ро вих клітин у так званій клітинній терапії хвороб. Насамперед це стосується травматичних станів і дегенеративних патологій [114]. Розвиток цього напряму неможливий не лише без знання механізмів диференціації цих клітин, а й без інструментів маніпуляції цими клітинами в умо вах жи во го ор ганізму. Спря мо ва ний рух до потрібних тканин і візуалізація їх місцезнаходження можуть бути здійснені за до по мо гою вклю чен ня в них пев них на но -частинок [115]. Ці проблеми ще далекі від свого розв’язання, проте вважають, що маніпулювання спрямованим рухом може бути здійснено за допомогою інтегрованих у цих клітинах магнітних наночастинок, а їх візуалізація — квантових точок [116].

Кро во замінни ки

Перші по коління кро во замінників ви ко -нували лише одну функцію — запобігти осмотичному шокові за великих втрат крові. Далі з’явилися полімери, що здатні переноси ти ки сень. Роз ви ток на нобіотех но логії дав змо гу роз ро би ти нові по коління кро во -замінників, що здатні не лише переносити кисень і оксид вуглецю, але й бути адекватною заміною ерит ро цитів. Ви ко ну ю чи функ -цію еритроцитів, нанокомпозити містять під полімер ною обо лон кою не ли ше ге мог лобін, а й необхідний комплекс еритроцитарних ензимів, зокрема каталазу і супероксид дис-мутазу, що мають антиоксидантну функцію [117]. Гемоглобін не може бути введений прямо в кров, адже він там легко окиснюєть-ся і втрачає гемову групу, а включення в нано ком по зит ра зом із комп лек сом ен зимів за -побігає цьому процесу. Додаткова перевага та ких струк тур пе ред до норсь кою кров’ю полягає в тому, що вони не несуть ані антигенів групи крові, ані вірусів [118].

Нанокомпозити у гіпертермальній

і фотодинамічній терапії пухлин

Як відомо, ракові клітини більш чутливі до підвищених температур, аніж нормальні клітини. Було запропоновано різні методи, що ви ко рис то ву ють цю влас тивість для те -рапії раку. Їх розвиток стримувався відсут-ніс тю мож ли вос тей для ло каль но го і до зо ва -ного нагрівання в місці ураження. Завдяки розвиткові нанотехнології з’явилися принци по во нові варіан ти цих тех но логій [120]. Зупинимось на двох із них.

Фототермія, що використовує нанокомпозити з покриттям золотом. Ці композити поглинають світло в близькій інфрачервоній ділянці, там, де м’які тканини організму відносно прозорі. Лазерне випромінювання, сфокусоване на пухлину, спричинює підви-щен ня тем пе ра ту ри і за ги бель ра ко вих клітин [121]. Повідомлялося також про ус-піш ну тер мо де ст рукцію ра ко вих клітин за до по мо гою вклю че них в ці кліти ни на но час -ти нок зо ло та за дії вип роміню ван ня радіо -час тот но го діапа зо ну [122].

Магнітна гіпертермія з використанням композитів із включенням нанокристалів оксидів заліза. Завдяки модифікаціям поверх ні во ни знач но ефек тивніше за хоп лю -ються раковими, аніж нормальними клітина ми, а з нак ла ден ням магнітно го по ля розігріваються до температур, що спричинюють їх загибель без руйнації прилеглих нормальних клітин [123]. Більш досконалі нанокомпозити можуть включати термочут-ливі полімери, здатні нести хімічні сполуки, такі як лікарські препарати, і вивільнювати їх за термічної дії. Таким чином, на ракову тка ни ну діяти ме комп лекс дест рук тив них засобів [124].

Чи тачі, знайомі з ме то дом фо то ди наміч -ної терапії пухлин, можуть легко оцінити пе ре ва ги цих но вих тех но логій. Фото ди на -мічна терапія — інший метод фізичної дії на ра кові пух ли ни. В ос нові йо го ле жить уве -дення в організм певних барвників, що накопичуються в раковій тканині. Під впли-

вом світло во го про ме ня в барв ни кові відбу -вається фотохімічна реакція, в якій вивільнюється токсичний для клітин синглетний ки сень. Підви щен ню ефек тив ності ць о го ме -то ду за побігає низь ка про никність ви ди мо го світла в тканини, а зсув поглинання в інфра-чер во ну ділян ку зни жує енергію елект рон -них пе ре ходів у барв ни ку й уне мож лив лює фотохімічний процес. Застосування квантових точок дає змогу радикально змінити тех но логію фо то ди намічної те рапії [125]. Зав дя ки їхній здат ності до дво фо тон но го по -глинання світла вони можуть збуджуватися в близькій ІЧ-ділянці. Це дозволяє освітлювати тканину в ділянці максимального про-пус кан ня світла, а фо то ди намічний ефект одержувати у видимій зоні [126]. Додаткова перевага тут також у тому, що двофотонне поглинання світла — це нелінійний процес, що потребує фокусування лазерного променя в дуже малий об’єм, а це суттєво підвищує селективність дії, запобігаючи враженню здорових тканин.

Перспективним вважають використання вуглецевих нанотрубок у протираковій терапії [127]. Оскільки неочищені вуглецеві нанотрубки в суспензії клітин збільшують ге не рацію ак тив них форм кис ню до рівня, що призводить до їх загибелі, а також здатні викликати деструкцію клітин унаслідок гіпертермічного ефекту за дії корокотривало-го опромінення у близькому ІЧ- та радіочас-тоному діапазонах, ці властивості нанотрубок можуть бути застосовані в розробленні ме тодів конт роль о ва но го про ду ку ван ня ак -тив них форм кис ню та фо то термії, спря мо -ваних на індукцію окисного стресу та вибірко ву за ги бель пух лин них клітин.

На но ма теріали в ор то пе дичній

і стоматологічній практиці

Кісткова тканина є фактично природним нанокомпозитом, що складається з нано-крис талів гідрок си а па ти ту, вбу до ва них у сформовану з протеїнових фібрил просторову сітку. Тому великі надії покладають на створення нових наноматеріалів, які, маючи аналогічні властивості, могли б слугувати замінни ка ми кістко вої тка ни ни або спри я ти її ут во рен ню. Сь о годнішні до сяг нен ня в ць о -му напрямі досить скромні, проте вже відомо, що пок рит тя штуч ни ми крис та ла ми гідрок си а па ти ту ме та ле вих імплантів за -побігає відторгненню і тим самим значно подовжує їх життя [128]. Враховуючи добре роз роб ле ну тех но логію син те зу та ких на но -части нок [129], можна сподіватися на про-

грес цього застосування. Більш того, вже вдається змоделювати процес біомінераліза-ції і створити нові міцні й біосумісні матеріали [130, 131]. Показано, що вони є не лише біосумісни ми, але й мо жуть спри я ти ре ге не -рації кісткової тканини.

Повідомлялося, що застосування нано-кристалічного гідроксиапатиту в стоматологічній практиці сприяє відновленню зубної емалі [132].

Син те тичні вак ци ни

Традиційно вакцини виготовляють з відповідних патогенів шляхом їх спеціальної обробки (інактивації, фрагментації тощо). Разючі зміни у стратегію створення вакцин внесла нанобіотехнологія. У розробленні син те тич них вак цин ви ко рис то ву ють на но -час тин ки син те тич них і при род них полі ме -рів, що за розміром і формою подібні до вірусів. Ши ро кий набір на но час ти нок — носіїв антигенів і ад’ювантів може бути використано з метою розроблення вакцин [133, 134]. Епітопи будь-яких патогенів можуть бути легко приєднані до поверхні таких наночасти нок, що спри я ти ме ство рен ню ви со кос пе -цифічних вакцин. Кон’югація катіонного поліме ру з на но час тин ка ми зо ло та дає змо гу створювати ДНК вакцини [135]. Є повідом-лен ня про ство рен ня пеп тид но го на но ком по -зита, що нагадує капсид невеликого вірусу. Йо го екс по но вані ан ти генні де термінан ти дозволяють одержувати високий титр високо афінних ан титіл [136].

На но тех но логії в кос ме тології

Су час на кос ме то логія пот ре бує ство рен -ня матеріалів, що здатні проникати в глибокі шари шкіри, несучи біологічно активні компоненти. Як відомо, перше застосування ліпосом було саме в косметиці, і зараз більшість кремів і лосьйонів проти старіння шкіри містять ліпосоми з біологічно активними речовинами. Описані вище методи стабілізації ліпо сом не об ми ну ли й кос ме тич ну індустрію. Для дос тав лен ня во до не роз чин -них інгредієнтів, таких як ретинол і бета-каротин, використовують полімерні нанокап-сули [137].

Окремо слід сказати про сонцезахисні креми. Основою багатьох із них є наночас-тин ки ок сидів ти та ну (TiO2) і цинку (ZnO). Во ни надійно за хи ща ють шкіру від ко рот -кохвильового (290-320 нм) ультрафіолетового випромінювання, що викликає запалення і може призвести до раку шкіри.

Ціка во, що у формі на но час ти нок во ни, ефективно розсіюючи світло, не надають шкірі неприємного білого відтінку. Як відомо, такі наночастинки не розчиняються і не деградують у біологічних середовищах. Проте в разі нанесення у вигляді суспензії на шкіру вони не проникають глибоко і не руй ну ють живі кліти ни [138].

Зас то су ван ня на нобіотех но логій у кос ме -тичній галузі стає дедалі ширшим. Дослідники не мають права ігнорувати цей величезний ринок, що лише в Європі оцінюється в 10 млрд. євро.

Проб ле ми за хис ту інте лек ту аль ної влас ності

На завершення слід відзначити ще один важливий аспект. Будь-яка галузь, де зароджуються і використовуються нові ідеї, мусить користуватися механізмом захисту цих ідей. Нанобіотехнологія належить до тих галузей, де кожен продукт, що надходить на ринок, має велику наукову складову, і комер ційна вартість про дук ту знач ною мірою виз на чаєть ся вит ра та ми на про ве ден ня досліджень. Тому патентний захист інтелектуальної власності має вкрай важливе значення. Патентування і використання патентів є завжди предметом викликів і потрясінь. У нових галузях, таких як нанобіотехнологія, вони загострюються з двох причин: че рез міждис циплінар ний ха рак тер роз ро -бок і швидкий час їх відмирання під тиском нових технологій. Обговорення цих питань можна знайти в роботах [139, 140], де викладено критерії патентоспроможності нових розробок. Очікують, що впродовж наступних де ся тиріч на нобіотех но логія і, зок ре ма, на но ме ди ци на прой дуть період «дозріван -ня», і ліцензійні угоди стануть звичайними яви ща ми, що при но си ти муть ве ликі при -бутки.

На нобіотех но логія — це не ли ше до слі -дження. Це величезне поле для інвестицій

і багатомільярдний фінансовий ринок. Тому для кожного, хто працює в цій галузі, патентна стратегія є необхідною. Інвесторам потрібні не стільки наукові публікації, скільки патенти.

На нобіотех но логія як га лузь на уки

і тех но логії

У попередніх розділах ми намагалися показати, що нанобіотехнологія, яка виникла на стику двох наукових і практичних дисциплін — на но тех но логії та біотех но логії,

у свою чер гу за своїм пред ме том, ме то до ло -гією, колом наукових і практичних завдань може бути виділена в окрему галузь. Описую чи влас ти вості на но ст рук тур з біотех но -логічним значенням, ми утримувалися від того, аби дати визначення цій новій дисципліні. Однак вважаємо за необхідне зробити це зараз із багатьох причин. По-перше — для стратегічного планування і розвитку програм досліджень. У багатьох країнах схвалені і вже працюють національні наукові прог ра ми з на но тех но логії, в які на но -біотехнологія входить як окремий розділ. Підтримкою цих досліджень опікуються різні наднаціональні, національні і приватні фонди. Тому важливо знати, підпадають чи не підпадають певні проекти під цю галузь знання. У літературному і патентному пошукові важливо усвідомлювати, в яких класифікаціях такий пошук потрібно здійснювати. І, безумовно, вчені мають розуміти один одного і усвідомлювати свою належність до певної галузі знань.

Визначення нанобіотехнології не може бути зведено до примітивної форми типу «нанобіотехнологія є наукою, яка використовує нанорозмірні частинки», тому що, власне, не розмір, а інші важливі властивості визначають коло пошуку і застосування. З ог ля ду на це вва жаємо до реч ною та ку дефініцію: «Нанобіотехнологія — це новонароджена наукова і технологічна дисципліна, що створює нанокомпозити за участю матеріалів біологічного походження з новими чи поліпше ни ми влас ти вос тя ми і ви ко рис то вує їх для вив чен ня і уп равління про це са ми в біологічному середовищі». У цьому синтезі ідей, методів і практичних розробок, що фор му ють на нобіотех но логію, на но тех но -логічним ас пек том є ство рен ня і вив чен ня влас ти вос тей ко ро вих на но час ти нок і їх ком по зитів, а біотех но логічний ас пект до -дається функціалізацією цих матеріалів під конкретні завдання. Коло застосування нових матеріалів є суто біотехнологічним. Вар то на го ло си ти, що са ме поліструк турні й ба га то функціональні на но ком по зи ти

є об’єктами створення, дослідження і застосування, оскільки ані голі наночастинки, ані біологічні мак ро мо ле ку ли будь-якої складності не можуть конкурувати з ними. Такі гібридні сис те ми поєдну ють мо ле ку -лярно-пізнавальні та каталітичні властивості біомо ле кул з елект рон ни ми, оп тич ни ми, магнітни ми і струк тур но-кон ден су ю чи ми властивостями наночастинок. Перспективи цього напряму яскраві й багатообіцяльні.

ЛІТЕРАТУРА

1. Kumart S. A., Khan M. I. Heterofunctional nanomaterials: fabrication, properties and applications in nanobiotechnology // J. Nan. Nanotechnol. — 2010. — V. 10, N 7. — P. 4124-4134.

2. Park S., Hamad-Schifferli K. Nanoscale interfaces to biology // Curr. Opin. Chem. Biol. — 2010. — V. 14, N 5. — P. 616-622.

3. Щербаков А. Б., Жолобак Н. М., Иванов В. К. Наноматериалы на основе диоксида церия: свойства и перспективы использования в биологии и медицине //Біотехнологія. — 2011. — Т. 4, № 1. — С. 9-24.

4. Стежка В. А., Леоненко О. Б., Зинченко В.

Н. и др.Влияние наночастиц аморфного высокодисперсного кремнезема на систему кро ви и про ок си да нт но-ан ти ок си да нт ное равновесие тканей крыс // Там же. — 2009. — Т. 2, № 2. — С. 86-95.

5. Chi Y. S., Lee J. K., Lee K.-B. et al. Biosurface Organic Chemistry: Interfacial Chemical Reactions for Applications to Nanobiotechnology and Biomedical Sciences // Bull. Korean Chem. Soc. — 2005. — V. 26. — P. 361-369.

6. Mulder A., Huskens J., Reinhoudt D. N. Multivalency in supramolecular chemistry and nanofabrication // Org. Biomol. Chem. — 2004. — V. 2, N 23. — P. 3409-3424.

7. Demchenko A. P. Introduction to fluorescence sensing. — Amsterdam: Springer Verlag, 2009. — 586 p.

8. Medintz I. L., Uyeda H. T., Goldman E. R., Mattoussi H. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing // Nature Materials. — 2005. — V. 4, N 6. — P. 435-446.

9. Suzuki M., Husimi Y., Komatsu H. et al. Quantum dot FRET biosensors that respond to pH, to proteolytic or nucleolytic cleavage, to DNA synthesis, or to a multiplexing combination // J. Am. Chem. Soc. — 2008. — V. 130, N 17. — P. 5720-5725.

10. Medintz I. L., Mattoussi H. Quantum dot-based resonance energy transfer and its growing application in biology // Phys. Chem. Chem. Phys. — 2009. — V. 11, N 1. — P. 17-45.

11. Veinot J. G. C. Synthesis, surface functiona-lization, and properties of freestanding silicon nanocrystals // Chem. Comm. — 2006. — N 40. — P.4160-4168.

12. Dubois F., Mahler B., Dubertret B. et al. A versatile strategy for quantum dot ligand exchange // J. Amer. Chem. Soc. — 2007. — V. 129, N 3. — P. 482-483.

13. Sapsford K. E., Pons T., Medintz I. L., Mattoussi H. Biosensing with luminescent semiconductor quantum dots // Sensors. —

2006. — V. 6, N 8. — P. 925-953.

14. Jin T., Fujii F., Sakata H. et al. Calixa-rene-coated water-soluble CdSe-ZnS semi-

conductor quantum dots that are highly fluorescent and stable in aqueous solution // Chem. Commun. — 2005. — N 22. — P. 2829-2831.

15. Tamerler C., Sarikaya M. Molecular biomimetics: nanotechnology and bionanotechnology using genetically engineered peptides // Philos. Transact A Math. Phys. Eng. Sci. — 2009. — V. 367, N 1894. — P. 1705-1726.

16. Han M. Y., Gao X. H., Su J. Z., Nie S. Quantum-dot-tagged microbeads for multiplexed optical coding of biomolecules // Nat. Biotechnol. — 2001. — V. 19, N 7. — P. 631-635.

17. Burda C., Chen X. B., Narayanan R., El-Sayed M. A Chemistry and properties of nanocrystals of different shapes // Chem. Rev. — 2005. — V. 105, N 4. — P. 1025-1102.

18. Eustis S., El-Sayed M. A. Why gold nanoparticles are more precious than pretty gold: Noble metal surface plasmon resonance and its enhancement of the radiative and nonra-diative properties of nanocrystals of different shapes // Chem. Soc. Rev. — 2006. — V. 35, N 3. — P. 209-217.

19. Демченко О. П., Канюк М. І. Кластери з декількох атомів срібла у флуоресцентних сенсорних технологіях // Біотехнологія. — 2011. — Т. 4, № 4. — С. 9-19.

20. Zhang L., Zou B., Dong B. et al.

Self-assembled monolayers of new

dendron-thiols: manipulation of the pat-

terned surface and wetting properties // Chem. Commun. (Camb). — 2001. — N 19.

— P.1906-1907.

21. Hamoudi H., Guo Z., Prato M. et al. On the self assembly of short chain alkanedithiols // Phys. Chem. Chem. Phys. — 2008. — V. 10, N 45. — P. 6836-6841.

22. Landfester K. Synthesis of colloidal particles in miniemulsions // Ann. Rev. Mater. Res. —

2006. — V. 36. — P. 231-279.

23. Grayson S. M., Frechet J. M. J. Convergent dendrons and dendrimers: from synthesis to applications // Chem. Rev. — 2001. — V. 101, N 12. — P. 3819-3867.

24. Gorman C. B., Smith J. C. Structure-property relationships in dendritic encapsulation // Acc. Chem. Res. — 2001. — V. 34, N 1. — P. 60-71.

25. Barrett T., Ravizzini G., Choyke P. L., Kobayashi H. Dendrimers in medical nano -technology // IEEE Eng. Med. Biol. Mag. —

2009. — V. 28, N 1. — P. 12-22.

26. Liu S., Zhang H. L., Liu T. C. et al. Optimization of the methods for introduction of amine groups onto the silica nanoparticle surface // J. Biomed. Mater. Res. A. —

2007. — V. 80, N 3. — P. 752-757.

27. Liu Y., Lou C., Yang H. et al. Silica nanoparticles as promising drug/gene delivery carriers and fluorescent nano-probes: recent advances // Curr. Cancer. Drug. Targets. — 2011. — V. 11, N 2. — P. 156-163.

28. Lian W., Litherland S. A., Badrane H. et al. Ultrasensitive detection of biomolecules with fluorescent dye-doped nanoparticles // Anal. Biochem. — 2004. — V. 334, N 1. — P. 135-144.

29. Yao G., Wang L., Wu Y. R. et al. FloDots: luminescent nanoparticles // Anal. Bioanal. Chem. — 2006. — V. 385, N 3. — P. 518-524.

30. Frey N. A., Peng S., Cheng K., Sun S. Magnetic nanoparticles: synthesis, functio -nalization, and applications in bioimaging and magnetic energy storage // Chem. Soc. Rev. — 2009. — V. 38, N 9. — P. 2532-2542.

31. Gao J., Gu H., Xu B. Multifunctional magnetic nanoparticles: design, synthesis, and biomedical applications // Acc. Chem. Res. — 2009. — V. 42, N 8. — P. 1097-10107.

32. Xie J., Huang J., Li X. et al. Iron oxide nanoparticle platform for biomedical applications // Curr. Med. Chem. — 2009. — V. 16, N 10. — P. 1278-1294.

33. Islam T., Josephson L. Current state and future applications of active targeting in malignancies using superparamagnetic iron oxide nanoparticles // Cancer Biomark. — 2009. — V. 5, N 2. — P. 99-107.

34. Du G., Liu Z., Wang D. et al. Characterization of magnetic fluorescence Fe3O4/CdSe nanocomposites // J. Nanosci Nanotechnol. — 2009. — V. 9, N 2. — P. 1304-1307.

35. Zaichenko O., Stoika R., Mitina N. et al. Novel funktional nanoscale composites on the basis of oligoperoxide surfactants: synte-sis and biomedical applications // Біотехнологія. — 2008. — Т. 1, № 1. — С. 86-99.

36. Hoeben F. J., Jonkheijm P., Meijer E. W., Schenning A. P. About supramolecular assemblies of pi-conjugated systems // Chem. Rev. — 2005. — V. 105, N 4. — P. 1491-546.

37. Wosnick J. H., Liao J. H., Swager T. M. Layer-by-layer poly(phenylene ethynylene) films on silica microspheres for enhanced sensory amplification // Macromol. — 2005. — V. 38, N 22. — P. 9287-9290.

38. Zhang L., Feng W. Dendritic conjugated polymers // Progress in Chemistry. — 2007. — V. 19, N 2-3. — P. 337-349.

39. Jeong J., Cho M., Lim Y. T. et al. Synthesis and characterization of a photoluminescent nanoparticle based on fullerene-silica hybridization // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. —

2009. — V. 48, N 29. — P. 5296-5299.

40. Choi J. H., Strano M. S. Solvatochromism in single-walled carbon nanotubes // Appl. Phys. Lett. — 2007. — V. 90, N 22. — P. 223114.

41. Матишевська О. П., Прилуцька С. В., Гринюк І. І. Фулерени С60 — біологічно активні молекули. 1. Фізико-хімічні властивості та біодоступність // Біотехнологія. —

2010. — Т. 3, № 1. — С. 18-26.

42. Prylutska S. V., Burlaka A. P., Prylutskyy Yu.I. et al. Comperative stady of antitumor effect

of pristine C60 fullerenes and doxorubicin // Там само. — 2011. — Т. 4, № 6. — С. 82-87.

43. Zhang W., Sprafke J. K., Ma M. et al. Modular functionalization of carbon nanotubes and fullerenes // J. Am. Chem. Soc. — 2009. — V. 131, N 24. — P. 8446-8454.

44. Wildgoose G. G., Banks C. E., Compton R. G. Metal nanoparticles and related materials supported on carbon nanotubes: methods and applications // Small. — 2006. — V. 2, N 2. — P. 182-193.

45. Li Z., Wu Z., Li K. The high dispersion of DNA-multiwalled carbon nanotubes and their properties // Anal. Biochem. — 2009. — V. 387, N 2. — P. 267-270.

46. Yang R., Jin J., Chen Y. et al. Carbon Nanotube-Quenched Fluorescent Oligonucleotides: Probes that Fluoresce upon Hybridization // J. Amer. Chem. Soc. —

2008. — V. 130, N2. — P. 8351-8358.

47. Burlaka A. P., Lukin S. M., Prylutska S.V. et al. Generation of reactive oxygen species by nulti-walled carbon nanotubes under light irradiation // Біотехнологія. — 2008. — Т. 3, № 4. — С. 62-66.

48. Ротко Д. М., Прилуцька С. В., Богуцька К. І., Прилуцький Ю. І. Вуглецеві нанотрубки як новітні матеріали для нейроінженерії // Там само. — 2011. — Т. 4, № 5. — С. 9-24.

49. Gao X. Y., Matsui H. Peptide-based nanotubes and their applications in bionanotechnology // Adv. Mater. — 2005. — V. 17, N 17. — P. 2037-2050.

50. Brea R. J., Vazquez M. E., Mosquera M. et al. Controlling multiple fluorescent signal output in cyclic peptide-based supramolecular systems // J. Amer. Chem. Soc. — 2007. — V. 129, N 6. — P. 1653-1657.

51. Castelletto V., Hamley I. W. Self assembly of a model amphiphilic phenylalanine peptide/ polyethylene glycol block copolymer in aqueous solution // Biophys. Chem. — 2009. — V. 141, N 2-3. — P. 169-174.

52. del Mercato L. L., Pompa P. P., Maruccio G. et al. Charge transport and intrinsic fluorescence in amyloid-like fibrils // Proc. Natl. Acad. Sci USA. — 2007. — V. 104, N 46. — P. 18019-18024.

53. Abu-Salah K. M., Ansari A. A., Alrokayan S. A. DNA-based applications in nanobiotechnology // J. Biomed. Biotechnol. — 2010. — V. 2010. — P. 715295.

54. Fendt L. A., Bouamaied I., Thoni S. et al. DNA as supramolecular scaffold for porphyrin arrays on the nanorneter scale // J. Amer. Chem. Soc. — 2007. — V. 129, N 49. — P. 15319-15329.

55. Weizmann Y., Braunschweig A B., Wilner O.

I. et al. A polycatenated DNA scaffold for the one-step assembly of hierarchical nanostructures // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. —

2008. — V. 105, N 14. — P. 5289-5294.

56. Kuzyk A., Laitinen K. T., Torma P. DNA origami as a nanoscale template for protein assembly // Nanotechnol. — 2009. — V. 20, N 23. — P. 235305.

57. Singh P., Destito G., Schneemann A., Manchester M. Canine parvovirus-like particles, a novel nanomaterial for tumor targeting // J. Nanobiotechnol. — 2006. — V. 4, N2. — Doi: 101186/1477-3155-4-2. — P. 2.

58. Ricca E., Cutting S. M. Emerging Applications of Bacterial Spores in Nanobiotechnology // Ibid. — 2003. — V. 1, N 1. — P. 6.

59. Corbin P. S., Lawless L. J., Li Z. T., Ma Y. G. et al. Discrete and polymeric self-assembled dendrimers: Hydrogen bond-mediated assembly with high stability and high fidelity // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. — 2002. — V. 99, N 8. — P. 5099-5104.

60. Vriezema D. M., Aragones M. C., Elemans J. et al. Self-assembled nanoreactors // Chem. Rev. — 2005. — V. 105, N 4. — P. 1445-1489.

61. Merrill M. H., Sun C. T. Fast, simple and efficient assembly of nanolayered materials and devices // Nanotechnol. — 2009. — V. 20, N 7. — P. 75606.

62. Srivastava S., Kotov N. A. Composite Layer-by-Layer (LBL) assembly with inorganic nanoparticles and nanowires // Acc. Chem. Res. — 2008. — V. 41, N 12. — P. 1831-41.

63. Elbakry A., Zaky A., Liebl R. et al. Layer-by-layer assembled gold nanoparticles for siRNA delivery // Nano Lett. — 2009. — V. 9, N 5. — P. 2059-2064.

64. Sleytr U. B., Egelseer E. M., Ilk N. et al. S-Layers as a basic building block in a molecular construction kit // Febs J. — 2007. — V. 274, N 2. — P. 323-334.

65. Wilchek M., Bayer E. A The avidin-biotin complex in bioanalytical applications // Anal. Biochem. — 1988. — V. 171, N 1. — P. 1-32.

66. Shinkai M. Functional magnetic particles for medical application // J. Bioscience and Bioengineering. — 2002. — V. 94, N 6. — P. 606-613.

67. Mornet S., Lambert O., Duguet E., Brisson A. The formation of supported lipid bilayers on silica nanoparticles revealed by cryoelectron microscopy // Nano Lett. — 2005. — V. 5, N 2. — P. 281-285.

68. Carmona-Ribeiro A. M. Bilayer vesicles and liposomes as interface agents // Chem. Soc. Rev. — 2001. — V. 30, N 4. — P. 241-247.

69. Discher B. M., Bermudez H., Hammer D. A et al. Cross-linked polymersome membranes: Vesicles with broadly adjustable properties // J. Phys. Chem. B. — 2002. — V. 106, N 11. — P. 2848-2854.

70. Mabrouk E., Cuvelier D., Brochard-Wyart F. et al. Bursting of sensitive polymersomes induced by curling // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. — 2009. — V. 106, N 18. — P. 7294-7298.

71. Sarikaya M., Tamerler C., Jen A. K. et al. Molecular biomimetics: nanotechnology

through biology // Nat. Mater. — 2003. — V. 2, N 9. — P. 577-585.

72. Koblenz T. S., Wassenaar J., Reek J. N. Reactivity within a confined self-assembled nanospace // Chem. Soc. Rev. — 2008. — V. 37, N 2. — P. 247-262.

73. Fiedler D., Leung D. H., Bergman R. G., Raymond K. N. Selective molecular recognition, C-H bond activation, and catalysis in nanoscale reaction vessels // Acc. Chem. Res. — 2005. -V. 38, N 4. — P. 349-358.

74. Huang X., Liu Y., Liang K. et al. Construction of the active site of glutathione peroxidase on polymer-based nanoparticles // Biomacromol. —

2008. — V. 9, N 5. — P. 1467-1473.

75. Wang P. Nanoscale biocatalyst systems // Curr. Opin. Biotechnol. — 2006. — V. 17, N 6. — P. 574-579.

76. Wilner O. I., Weizmann Y., Gill R. et al. Enzyme cascades activated on topologically programmed DNA scaffolds // Nat. Nano-technol. — 2009. -V. 4, N 4. — P. 249-254.

77. Wilner O. I., Shimron S., Weizmann Y. et al. Self-assembly of enzymes on DNA scaffolds: en route to biocatalytic cascades and the synthesis of metallic nanowires // Nano Lett. —

2009. — V. 9, N 5. — P. 2040-2043.

78. Tonova K., Lazarova Z. Reversed micelle solvents as tools of enzyme purification and enzyme-catalyzed conversion // Biotechnol Adv. — 2008. — V. 26, N 6. — P. 516-532.

79. Nallani M., de Hoog H. P., Cornelissen J. J. et al. Polymersome nanoreactors for enzymatic ring-opening polymerization // Biomacromol. — 2007. — V. 8, N 12. — P. 3723-3728.

80. Vriezema D. M., Garcia P. M., Sancho Oltra N. et al. Positional assembly of enzymes in poly-mersome nanoreactors for cascade reactions // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. — 2007. — V. 46, N 39. — P. 7378-7382.

81. Tokuyama H., Nakamura M. Acceleration of reaction by microwave irradiation // J. Synt. Org. Chem. Japan. — 2005. — V. 63, N 5. — P. 523-538.

82. Young D. D., Nichols J., Kelly R. M., Deiters A. Microwave activation of enzymatic catalysis // J. Am. Chem. Soc. — 2008. — V. 130, N 31. — P.10048-10049.

83. Lin S., Yao G., Qi D. et al. Fast and efficient proteolysis by microwave-assisted protein digestion using trypsin-immobilized magnetic silica microspheres // Anal. Chem. —

2008. — V. 80, N 10. — P. 3655-3665.

84. Aslan K., Geddes C. D. New tools for rapid clinical and bioagent diagnostics: microwaves and plasmonic nanostructures // Analyst. —

2008. — V. 133, N 11. — P. 1469-1480.

85. Tokonami S., Shiigi H., Nagaoka T. Review: micro-and nanosized molecularly imprinted polymers for

high-throughput analytical applications // Anal. Chim. Acta. — 2009. —V. 641, N 1-2. — P. 7-13.

86. Wang X., Wang L,, He X. et al. A molecularly imprinted polymer-coated nanocomposite of magnetic nanoparticles for estrone recognition // Talanta. — 2009. — V. 78, N 2. — P. 327-332.

87. Lin H. Y., Ho M. S., Lee M. H. Instant formation of molecularly imprinted poly(ethylene-co-vinyl alcohol)/quantum dot composite nanoparticles and their use in one-pot urinalysis // Biosens. Bioelectron. — 2009. — V. 25, N3. — P. 579-586.

88. Li L., He X., Chen L., Zhang Y. Preparation of core-shell magnetic molecularly imprinted polymer nanoparticles for recognition of bovine hemoglobin // Chem. Asian. J. — 2009. — V. 4, N 2. — P. 286-293.

89. Hanley Q. S., Arndt-Jovin D. J., Jovin T. M. Spectrally resolved fluorescence lifetime imaging spectroscopy // Appl. Spectrosc. — 2002. — V. 56. — P. 155-156.

90. Quentmeier S., Denicke S., Gericke K. H. Two-Color Two-Photon Fluorescence Laser Scanning Microscopy // J. Fluoresc. —

2009. — V. 19, N6. — P. 1037-1043.

91. Biju V., Itoh T., Ishikawa M. Delivering quantum dots to cells: bioconjugated quantum dots for targeted and nonspecific extracellular and intracellular imaging // Chem. Soc. Rev. — 2010. — V. 39, N 8. — P. 3031-3056.

92. Delehanty J. B., Medintz I. L., Pons T. et al. Self-assembled quantum dot-peptide bioconjugates for selective intracellular delivery // Biocon. Chem. — 2006. — V. 17, N 4. — P. 920-927.

93. Cheon J., Lee J. H. Synergistically integrated nanoparticles as multimodal probes for nanobiotechnology // Acc. Chem. Res. —

2008. — V. 41, N 12. — P. 1630-1640.

94. Sun C., Lee J. S., Zhang M. Magnetic nanoparticles in MR imaging and drug delivery // Adv. Drug. Deliv. Rev. — 2008. — V. 60, N 11. — P. 1252-1265.

95. Sosnovik D. E., Nahrendorf M., Weissleder R. Magnetic nanoparticles for MR imaging: agents, techniques and cardiovascular applications // Basic. Res. Cardiol. — 2008. — V. 103,N 2. — P. 122-130.

96. Bakalova R., Zhelev Z., Gadjeva V. Quantum dots versus organic fluorophores in fluorescent deep-tissue imaging-merits and demerits // Gen. Physiol. Biophys. — 2008. — V. 27, N 4. — P. 231-242.

97. Kim S., Lim Y. T., Soltesz E. G. et al. Near-infrared fluorescent type II quantum dots for sentinel lymph node mapping // Nat. Bio-technol. — 2004. — V. 22, N 1. — P. 93-97.

98. Jennings L. E., Long N. J. ‘Two is better than one’—probes for dual-modality molecular imaging // Chem. Commun. (Camb). —

2009. — N 24. — P. 3511-3524.

99. Lee P. Y., WongK.K. Nanomedicine: a new frontier in cancer therapeutics // Curr. Drug. Deliv. — 2011. — V. 8, N 3. — P. 245-253.

100. Samad A., Sultana Y., Aqil M. Liposomal drug delivery systems: an update review // Ibid. — 2007. — V. 4, N 4. — P. 297-305.

101. Sarker D. K. Sculpted amphiphilic liposomal particles for modifiable medicinal applications // Curr. Drug. Discov. Technol. — 2009. — V. 6, N 1. — P. 52-58.

102. Hamidi M., Azadi A., Rafiei P. Hydrogel nanoparticles in drug delivery // Adv. Drug. Deliv. Rev. — 2008. — V. 60, N 15. — P. 1638-1649.

103. Paleos C. M., Tsiourvas D., Sideratou Z. Molecular engineering of dendritic polymers and their application as drug and gene delivery systems // Mol. Pharm. — 2007. — V. 4, N 2. — P. 169-188.

104. Paleos C. M., Tziveleka L. A., Sideratou Z., Tsiourvas D. Gene delivery using functional dendritic polymers // Expert. Opin. Drug. Deliv. — 2009. — V. 6, N 1. — P. 27-38.

105. Levine D. H., Ghoroghchian P. P., Freudenberg J. et al. Polymersomes: a new

multi-functional tool for cancer diagnosis and therapy // Methods. — 2008. — V. 46, N 1. — P. 25-32.

106. Christian D. A., Cai S., Bowen D. M. et al. Polymersome carriers: from self-assembly to siRNA and protein therapeutics // Eur. J. Pharm. Biopharm. — 2009. — V. 71, N 3. — P. 463-474.

107. Patel M. M., Goyal B. R., Bhadada S. V. et al. Getting into the brain: approaches to enhance brain drug delivery // CNS Drugs. —

2009. — V. 23, N 1. — P. 35-58.

108. Mart R. J., Liem K. P., Webb S. J. Magnetically-controlled release from hydrogel-supported vesicle assemblies // Chem. Commun. (Camb). —

2009. — N 17. — P. 2287-2289.

109. Brazel C. S. Magnetothermally-responsive nanomaterials: combining magnetic nanostructures and thermally-sensitive polymers for triggered drug release // Pharm. Res. — 2009. — V. 26, N 3. — P. 644-656.

110. Alvarez-Lorenzo C., BrombergL., Concheiro A. Light-sensitive Intelligent Drug Delivery Systems // Photochem. Photobiol. — 2009. — V. 85, N 4. — P. 848-860.

111. Woitiski C. B., Veiga F., Ribeiro A., Neufeld R. Design for optimization of nanoparticles integrating biomaterials for orally dosed insulin // Eur. J. Pharm. Biopharm. —

2009. — V. 73, N 1. — P. 25-33.

112. Mintzer M. A., Simanek E. E. Nonviral vectors for gene delivery // Chem. Rev. —

2009. — V. 109, N 2. — P. 259-302.

113. Chowdhury E. H. Self-assembly of DNA and cell-adhesive proteins onto pH-sensitive inorganic crystals for precise and efficient transgene delivery // Curr. Pharm. Des. —

2008. — V. 14, N 22. — P. 2212-2228.

114. Engel E., Michiardi A., Navarro M. et al. Nanotechnology in regenerative medicine:

the materials side // Trends Biotechnol. — 2008. — V. 26, N 1. — P. 39-47.

115. Solanki A., Kim J. D., Lee K. B. Nano techno -logy for regenerative medicine: nanomaterials for stem cell imaging // Nanomed. —

2008. — V. 3, N 4. — P. 567-578.

116. Ferreira L., Karp J. M., Nobre L,, Langer R. New opportunities: the use of nanotechnologies to manipulate and track stem cells // Cell. Stem. Cell. — 2008. — V. 3, N 2. — P. 136-146.

117. Chang T. M. Blood substitutes based on nanobiotechnology // Trends Biotechnol. —

2006. — V. 24, N 8. — P. 372-377.

118. Chang T. M. Blood replacement with nanobiotechnologically engineered hemoglobin and hemoglobin nanocapsules // Wiley Interdiscip Rev. Nanomed. Nano-biotechnol. — 2010. — V. 2, N 4. — P. 418-430.

119. Okamura Y., Takeoka S., Eto K. et al. Development of fibrinogen gamma-chain peptide-coated, adenosine diphosphate-encapsulated liposomes as a synthetic platelet substitute // J. Thromb. Haemost. —

2009. — V. 7, N 3. — P. 470-477.

120. Jain K. K. Advances in the field of nanooncology // BMC Med. — 2010. — V. 8. — P. 83.

121. Terentyuk G. S., Maslyakova G. N., Suleymanova L. V. et al. Laser-induced tissue hyperthermia mediated by gold nanoparticles: toward cancer phototherapy // J. Biomed. Opt. — 2009. — V. 14, N 2. — P. 021016.

122. Gannon C. J., Patra C. R., Bhattacharya R. et al. Intracellular gold nanoparticles enhance non-invasive radiofrequency thermal destruction of human gastrointestinal cancer cells // J. Nanobiotechnol. — 2008. — doi: 10.1186/1477/-3155-6-2.

123. Tseng H. Y., Lee G. B., Lee C. Y. et al. Localised heating of tumours utilising injectable magnetic nanoparticles for hyperthermia cancer therapy // IET Nano-biotechnol. — 2009. — V. 3, N 2. — P. 46.

124. Gazeau F., Levy M., Wilhelm C. Optimizing magnetic nanoparticle design for nanothermotherapy // Nanomed. — 2008. — V. 3, N 6. — P. 831-844.

125. Juzenas P., Chen W., Sun Y. P. et al. Quantum dots and nanoparticles for photodynamic and radiation therapies of cancer // Adv. Drug. Deliv. Rev. — 2008. — V. 60, N 15. — P.1600-1614.

126. Dayal S., Burda C. Semiconductor quantum dots as two-photon sensitizers // J. Am. Chem. Soc. — 2008. — V. 130, N 10. — P. 2890-2891.

127. Прилуцька С. В., Ременяк О. В., Бурлака А. П., Прилуцький Ю. І. Перспективи ви ко рис тан ня вуг ле це вих на нот ру бок

у протираковій терапії // Онкология. —

2010. — Т. 12, № 1, — C. 5-9.

128. Christenson E. M., Anseth K. S., van den Beucken J. J. et al. Nanobiomaterial applications in orthopedics // J. Orthop. Res. —

2007. — V. 25, N 1. — P. 11-22.

129. Gomes P. J., Silva V. M., Quadros P. A. et al. A highly reproducible continuous process for hydroxyapatite nanoparticles synthesis // J. Nanosci. Nanotechnol. — 2009. — V. 9, N 6. — P. 3387-3395.

130. Nayar S., Sinha M. K., Basu D., Sinha A. Synthesis and sintering of biomimetic hydroxyapatite nanoparticles for biomedical applications // J. Mater. Sci. Mater. Med. — 2006. — V. 17, N 11. — P. 1063-1068.

131. Zhang E., Zou C. Porous titanium and silicon-substituted hydroxyapatite biomodification prepared by a biomimetic process: characterization and in vivo evaluation // Acta Biomater. — 2009. — V. 5, N 5. — P. 1732-1741.

132. Huang S. B., Gao S. S., Yu H. Y. Effect of nano-hydroxyapatite concentration on remineralization of initial enamel lesion in vitro // Biomed Mater. — 2009. — V. 4, N 3. — P. 34104.

133. Peek L. J., Middaugh C. R., Berkland C. Nanotechnology in vaccine delivery // Adv. Drug. Deliv. Rev. — 2008. — V. 60, N 8. — P. 915-928.

134. Shahiwala A., Vyas T. K., Amiji M. M. Nanocarriers for systemic and mucosal vaccine delivery // Recent. Pat. Drug. Deliv. Formul. — 2007. — V. 1, N 1. — P. 1-9.

135. Zhou X., Zhang X., Yu X. et al. The effect of conjugation to gold nanoparticles on the ability of low molecular weight chitosan to transfer DNA vaccine // Biomaterials. —

2008. — V. 29, N 1. — P. 111-117.

136. Scheerlinck J. P., Greenwood D. L. Virus-sized vaccine delivery systems // Drug. Discov. Today. — 2008. — V. 13, N 19-20. — P. 882-887.

137. Choi M. J., Maibach H. I. Liposomes and niosomes as topical drug delivery systems // Skin. Pharmacol. Physiol. — 2005. — V. 18, N 5. — P. 209-219.

138. Nohynek G. J., Lademann J., Ribaud C., Roberts M. S. Grey goo on the skin? Nanotechnology, cosmetic and sunscreen safety // Crit. Rev. Toxicol. — 2007. — V. 37, N 3. — P. 251-277.

139. Bawa R. Patents and nanomedicine // Nanomed. — 2007. — V. 2, N 3. — P. 351-374.

140. Bawa R., Bawa S. R., Maebius S. B. et al. Protecting new ideas and inventions in nanomedicine with patents // Nanomedicine. — 2005. — V. 1, N 2. — P. 150-158.

НАНОБИОТЕХНОЛОГИЯ:

ПУТЬ В НОВЫЙ МИКРОМИР, СОЗДАННЫЙ СИНТЕЗОМ ХИМИИ И БИОЛОГИИ

A. П. Демченко

B. И. Назаренко

Институт биохимии им. А. В. Палладина НАН Украины, Киев

E-mail: [email protected]

Частицы размером 1-100 нм и композиты из молекул и таких частиц неорганической, органической и биологической природы обладают уникальными свойствами, которые не свойственны другим материалам, поэтому их при ме не ние обус лов ли ва ет ре во лю ци он ные изменения в существующих технологиях и соз да ние но вых. В об зо ре опи са ны стро е ние и свойства таких нанокомпозитов, а также их раз но об раз ное би о тех но ло ги чес кое при ме не -ние. Об суж да ют ся но вые воз мож нос ти для ис -сле до ва ний и при ме не ние в ин ду ст ри аль ной эн зи мо ло гии, свя зан ные с вклю че ни ем эн зи -мов в наноструктуры. Новейшие технологии охватывают и сферу здравоохранения, что способствовало возникновению нанофармакологии и наномедицины. Здесь впервые появились воз мож нос ти для конт ро ли ро ван ной дос тав ки и выс во бож де ния ле карств в клет -ках-мишенях. Рассмотрена также проблема патентной защиты новых идей в этой области.

Пред ло же но раз вер ну тое оп ре де ле ние но -вой науки нанобиотехнологии.

Ключевые слова: нанобиотехнология, наночас ти цы, са мос бор ка, на но ком по зи ты, на но -материалы в медицине, наноэнзимология.

NANOBIOTECHNOLOGY:

THE ROUTE TO NEW MICROWORLD CREATED BY SYNTHESIS OF CHEMISTRY AND BIOLOGY

A. P. Demchenko V. I. Nazarenko

Palladian Institute of Biochemistry, of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv

E-mail: [email protected]

The particles of 1-100 nm in size and the composites of molecules and these particles of inorganic, organic and biological nature possess unique properties that cannot be attributed to other materials. Their application induces revolutionary changes in existing technologies and creation of new technologies. In this review we analyze the properties of such nanocomposites in relation to their structure and also their versatile applications in biotechnology. We discuss different possibilities for research and development in industrial enzymology that appear due to inclusion of enzymes into nanostructures. Revolutionary new technologies came to the healthcare and brought generation of nanopharmacology and nanomedicine. Here, for the first time the possibilities appeared for controlled targeted delivery of drugs and their controlled release in target cells. We also discuss the problem of patent protection of new ideas in this area.

Expanded definition of nanotechnology is proposed.

Key words: nanobiotechnology, nanoparticles, self-assembly, nanocomposites, nanomaterials for medicine, nanoenzymology.