Главная \ Наука \ Научные издания КФУ \ Ученые записки Казанского университета \ Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки \ Архив

Получение и характеристика магнитно-модифицированных коллоидных частиц диоксида кремния для распознавания клеток HeLa

И.Р. Ишмухаметов, Э.В. Рожина, Ф.С. Ахатова, В.Г. Евтюгин, А.О. Рожин, Р.Ф. Фахруллин

Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

Полный текст PDF

DOI: 10.26907/2542-064X.2020.4.557-572

Для цитирования: Ишмухаметов И.Р., Рожина Э.В., Ахатова Ф.С., Евтюгин В.Г., Рожин А.О., Фахруллин Р.Ф. Получение и характеристика магнитно-модифицированных коллоидных частиц диоксида кремния для распознавания клеток HeLa // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2020. – Т. 162, кн. 4. – С. 557–572. – doi: 10.26907/2542-064X.2020.4.557-572.

For citation: Ishmukhametov I.R., Rozhina E.V., Akhatova F.S., Evtugyn V.G., Rozhin A.O., Fakhrullin R.F. Preparation and description of magnetic modified colloidal particles of silicon dioxide for recognition of HeLa cells. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2020, vol. 162, no. 4, pp. 557–572. doi: 10.26907/2542-064X.2020.4.557-572. (In Russian)

Аннотация

Использование методов наноархитектоники расширяет возможности применения наноматериалов, позволяет модифицировать клеточную поверхность и изменять химические и физические свойства клеток. В настоящей работе описано формирование покрытий из диоксида кремния, легированного магнитными наночастицами, на поверхности эукариотических клеток линии HeLa. Последующее разрушение покрытия и позволило получить его фрагменты с заданной геометрией внутренней поверхности. На следующих этапах элементы покрытия были использованы в качестве «коллоидных антител» для связывания с заданными типами клеток. Использование магнитных наночастиц в составе таких структур позволяет манипулировать клетками, связанными с фрагментами оболочек с использованием внешнего магнитного поля. Покрытие клеток HeLa производным кремниевой кислоты и магнитными наночастицами было выполнено с использованием процесса золь-гель. С использованием сканирующей электронной микроскопии установлено образование покрытия на клетках. Фрагменты оболочек, полученные после разрушения покрытий на клетках, культивировались с клетками HeLa и были исследованы посредством микроскопии светлого поля. Дополнительно структура покрытия и фрагментов оболочек визуализирована с помощью атомной силовой микроскопии. Установлено, что фрагменты, полученные после разрушения кремниевых оболочек, способны связываться с клетками. Кроме того, магнитные наночастицы, находящиеся в составе оболочек, позволили манипулировать ориентацией движения клеток.

Ключевые слова: наноархитектоника, магнитные наночастицы, инженерия клеточной поверхности, клеточная линия HeLa, инкапсуляция клеток

Благодарности. Работа выполнена за счет средств субсидии, выделенной в рамках государственной поддержки Казанского (Приволжского) федерального университета в целях повышения его конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных центров, а также при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта № 18-44-160001, проекта РФФИ № 18-34-00306 и молодежного гранта РТ № 05-129-ш Г/2020.

Часть микроизображений получена в лаборатории просвечивающей электронной микроскопии МДЦ АМ КФУ. Микроизображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии, получены в рамках программы краткосрочных научных и образовательных стажировок в области электронной микроскопии углеродных материалов в Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (оператор И.В. Чистяков).

Литература

Contado C. Nanomaterials in consumer products: A challenging analytical problem // Front. Chem. – 2015. – V. 3. – Art. 48, P. 1–20. – doi: 10.3389/fchem.2015.00048.
Rozhina E., Batasheva S., Danilushkina A., Kryuchkova M., Gomzikova M., Cherednichenko Y., Nigamatzyanova L., Akhatova F., Fakhrullin R. Kaolin alleviates the toxicity of graphene oxide for mammalian cells // Med. Chem. Commun. – 2019. – V. 10, No 8. – P. 1457–1464. – doi: 10.1039/c8md00633d.
Torchilin V.P. Multifunctional nanocarriers // Adv. Drug. Delivery Rev. – 2006. – V. 58, No 14. – P. 1532–1555. – doi: 10.1016/j.addr.2006.09.009.
Ariga K., Ji Q., Nakanishi W., Hill J.P., Aono M. Nanoarchitectonics: A new materials horizon for nanotechnology // Mater. Horiz. – 2015. – V. 2. – P. 406–413. – doi: 10.1039/C5MH00012B.
Wang Z., Xia J., Yan Y., Tsai A.C., Li Y., Ma T., Guan J. Facile functionalization and assembly of live cells with microcontact-printed polymeric biomaterials // Acta Biomater. – 2015. – V. 11. – P. 80–87. – doi: 10.1016/j.actbio.2014.10.006.
Guryanov I., Naumenko E., Konnova S., Lagarkova M., Kiselev S., Fakhrullin R. Spatial manipulation of magnetically-responsive nanoparticle engineered human neuronal progenitor cells // Nanomedicine: NBM. – 2019. – V. 20. – Art. 102038, P. 1–12. – doi: 10.1016/j.nano.2019.102038.
Park J.H., Hong D., Lee J., Choi I.S. Cell-in-shell hybrids: Chemical nanoencapsulation of individual cells // Acc. Chem. Res. – 2016. – V. 49, No 5. – P. 792–800. – doi: 10.1021/acs.accounts.6b00087.
Borovička J., Metheringham W.J., Madden L.A., Walton C.D., Stoyanov S.D., Paunov V.N. Photothermal colloid antibodies for shape-selective recognition and killing of microorganisms // J. Am. Chem. Soc. – 2013. – V. 135, No 14. – P. 5282–5285. – doi: 10.1021/ja400781f.
Borovička J., Stoyanov S.D., Paunov V.N. Shape recognition of microbial cells by colloidal cell imprints // Nanoscale. – 2013. – V. 5, No 18. – P. 8560–8568. – doi: 10.1039/c3nr01893h.
Dickert F.L., Hayden O. Bioimprinting of polymers and sol−gel phases. Selective detection of yeasts with imprinted polymers // Anal. Chem. – 2002. – V. 74, No 6. – P. 1302–1306. – doi: 10.1021/ac010642k.
Harvey S.D., Mong G.M., Ozanich R.M., McLean J.S., Goodwin S.M., Valentine N.B., Fredrickson J.K. Preparation and evaluation of spore-specific affinity-augmented bio-imprinted beads // Anal. Bioanal. Chem. – 2006. – V. 386, No 2. – P. 211–219. – doi: 10.1007/s00216-006-0622-z.
Wang S., Wen Y., Wang Y., Ma Y., Liu Z. Pattern recognition of cells via multiplexed imaging with monosaccharide-imprinted quantum dots // Anal. Chem. – 2017. – V. 89, No 10. – P. 5646–5652. – doi: 10.1021/acs.analchem.7b00965.
Rozhina E., Ishmukhametov I., Batasheva S., Akhatova F., Fakhrullin R. Nanoarchitectonics meets cell surface engineering: Shape recognition of human cells by halloysite-doped silica cell imprints // Beilstein J. Nanotechnol. – 2019. – V. 10. – P. 1818–1825. – doi: 10.3762/bjnano.10.176.
Suner S.S., Demirci S., Yetiskin B., Fakhrullin R., Naumenko E., Okay O., Ayyala R.S., Sahiner N. Cryogel composites based on hyaluronic acid and halloysite nanotubes as scaffold for tissue engineering // Int. J. Biol. Macromol. – 2019. – V. 130. – P. 627–635. – doi: 10.1016/j.ijbiomac.2019.03.025.
Yendluri R., Lvov Y., de Villiers M.M., Vinokurov V., Naumenko E., Tarasova E., Fakhrullin R. Paclitaxel encapsulated in halloysite clay nanotubes for intestinal and intracellular delivery // J. Pharm. Sci. – 2017. – V. 106, No 10. – P. 3131–3139. – doi: 10.1016/j.xphs.2017.05.034.
Akbarzadeh A., Samiei M., Davaran S. Magnetic nanoparticles: Preparation, physical properties, and applications in biomedicine // Nanoscale Res. Lett. – 2012. – V. 7, No 144. – doi: 10.1186/1556-276X-7-144.
Dzamukova M.R., Naumenko E.A., Rozhina E.V., Trifonov A.A., Fakhrullin R.F. Cell surface engineering with polyelectrolyte-stabilized magnetic nanoparticles: A facile approach for fabrication of artificial multicellular tissue-mimicking clusters // Nano Res. – 2015. – V. 8, No 8. – P. 2515–2532. – doi: 10.1007/s12274-015-0759-1.
German S.V., Inozemtseva O.A., Markin A.V., Metwalli H., Khomutov G.B., Gorin D.A. Synthesis of magnetite hydrosols in inert atmosphere // Colloid J. – 2013. – V. 75, No 4. – P. 483–486. – doi: 10.1134/S1061933X13040042.
Park J.H., Choi I.S., Yang S.H. Peptide-catalyzed, bioinspired silicification for single-cell encapsulation in the imidazole-buffered system // Chem. Commun. – 2015. – V. 51, No 25. – P. 5523–5525. – doi: 10.1039/C4CC08544B.
Ramanathan K., Kamalasanan M., Malhotra B., Pradhan D.R., Chandra S. Immobilization and characterization of lactate dehydrogenase on TEOS derived sol-gel films // J. Sol-Gel Sci. Technol. – 1997. – V. 10, No 3. – P. 309–316. – doi: 10.1023/A:1018329518938.
Park J.H., Lee J., Yang S.H. Bioinspired fabrication of silica thin films on histidine-terminated self-assembled monolayers // Bull. Korean Chem. Soc. – 2015. – V. 35, No 11. – P. 3336–3338. – doi: 10.5012/bkcs.2014.35.11.3336.
Александрова Г.П., Грищенко Л.А., Медведева С.А., Тьков А.В., Феоктистова Л.П., Сапожников А.Н., Вакульская Т.И., Тирский В.В., Семенов А.Л., Мартынович Е.Ф. Синтез наноразмерных частиц с магнитными свойствами для биомедицинских целей // Физическая мезомеханика. – 2004. – Т. 7, № Спец2. – С. 139–142.
Komiyama M., Mori T., Ariga K. Molecular imprinting: materials nanoarchitectonics with molecular information // Bull. Chem. Soc. Jpn. – 2018. – V. 91, No 7. – P. 1075–1111. – doi: 10.1246/bcsj.20180084.
Bhattacharjee S. DLS and zeta potential – What they are and what they are not? // J. Controllled Release. – 2016. – V. 235. – P. 337–351. – doi: 10.1016/j.jconrel.2016.06.017.
Baalousha M., Lead J.R. Rationalizing nanomaterial sizes measured by atomic force microscopy, flow field-flow fractionation, and dynamic light scattering: Sample preparation, polydispersity, and particle structure // Environ. Sci. Technol. – 2012. – V. 46, No 11. – P. 6134–6142. – doi: 10.1021/es301167x.
Peternele W.S., Fuentes V.M., Fascineli M.L., Silva J.R., Silva R.C., Lucci C.M., Azevedo R.B. Experimental investigation of the coprecipitation method: An approach to obtain magnetite and maghemite nanoparticles with improved properties // J. Nanomater. – 2014. – V. 2014. – Art. 682985, P. 1–10. – doi: 10.1155/2014/682985.
Вайнер О.Б., Запорожченко И.А., Романов С.И., Миронов С.Г., Пышный Д.В., Пышная И.А., Дмитриенко Е.В., Лактионов П.П. Использование микроканальных кремниевых матриц для размер-селективной сепарации клеток // Вест. НГУ. Сер. Биология, клин. мед. – 2010. – Т. 8, Вып. 2. – С. 5–12.
Deman J.J., Vakaet L.C., Bruyneel E.A. Cell size and mutual cell adhesion // J. Membrain Biol. – 1976. – V. 26. – P. 189–204. – doi: 10.1007/BF01868873.
Tsai S., Wang M. 24 h observation of a single HeLa cell by impedance measurement and numerical modeling // Sens. Actuators, B. – 2016. – V. 229. – P. 225–231. – doi: 10.1016/j.snb.2016.01.107.
Scott A.M., Wolchok J.D., Old L.J. Antibody therapy of cancer // Nat. Rev. Cancer. – 2012. – V. 12, No 4. – P. 278–287. – doi: 10.1038/nrc3236.
Gao X., Cui Y., Levenson R.M., Chung L.W., Nie S. In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots // Nat. Biotechnol. – 2004. – V. 22, No 8. – P. 969–976. – doi: 10.1038/nbt994.

Поступила в редакцию

11.03.2020

Ишмухаметов Ильнур Ринатович, студент-магистр кафедры биохимии, биотехнологии и фармакологии, лаборант-исследователь НИЛ OpenLab «Бионанотехнологии»

Казанский (Приволжский) федеральный университет