За ініціативи президента НАН України академіка Б. Є. Патона та академіка НАН і НАМН України Ю. І. Кундієва більше 15 років тому розпочалася ґрунтів-на робота зі створення в Україні загальнодержавної служби з біоетики. Створен комітет з біоетики при НАН України. Комітети з біоетики створені при науково-дослідних інститутах, вищих навчальних медичних і фармацевтичних закладах. Світові положення з біоетики, зокрема прийнята ЮНЕСКО у жовтні 2005 року "Загальна декларація про біоетику та права людини", поставлені в Україні на законну основу. Завдання вчених України - обов'язкове впровадження положень біоетики при проведенні експериментальних та клінічних досліджень. Медико-біологічні дослідження з урахуванням біоетичних положень стосуються нових наукових напрямків, до яких належать нанотехнології та наномедицина.

Результати досліджень з нанонауки і нанотехнологій реально впроваджуються у практичну діяльність людини з 90-х років ХХ століття. Структури нанометрового масштабу починають відігравати все більше значення у фізиці твердого тіла, фізичній хімії, молекулярній біології, медицині, фармакології, фармації. Альо нанотехнології - це в першу чергу промислова технологія. Тому природно виникає запитання, як будуть впливати різні продукти нанотехнологій на людину і довкілля[2, 7, 22].

Наноматеріали складаються із частинок розміром менше 100 нм, за розмірами займають проміжне положення між окремими атомами/молекулами та мікроорганізмами. Завдяки розміру, формі, хімічному складу, заряду, структури та великій площі поверхні наночастинки мають унікальні властивості, що робить їх перспективними матеріалами для застосування у різноманітних галузях народного господарства[3, 8, 11, 12]. Це підтверджується високими темпами вивчення властивостей наноматеріалів, розробки нових нанотехнологій, швидким впровадженням їх у виробництво, а також обсягами фінансування. Так, у 2004 році у світі було виділено 8, 6 мільярдів доларів США на розвиток нанотехнологій, а до 2012 року прогнозовані витрати на ці потреби склали 1 трильйон доларів США [23].

У медицині наночастинки мають перспективу застосування в ультрачутливому виявленні біомолекул, діагностичній візуалізації, фотодинамічній терапії, цільовій доставці лікарських речовин до органів-мішеней[15, 29, 30].

Швидке впровадження наноматеріалів у виробництво і все більш тісний контакт з ними живих організмів, у тому числі людини, супроводжується відсутністю ґрунтовних знань про їх можливий токсичний вплив.

Питання нанотоксичності неоднозначне і багатогранне, вимагає комплексного підходу. Однією з основних проблем у цій сфері є те, що нанотоксикологією на сучасному етапі переважно займаються не професійні токсикологи. Крім того, не розроблено стандартизованих методик проведення експериментів in vivo та in vitro, не встановлено чітких критеріїв безпечності наноматеріалів. Аналіз та інтерпретація результатів тих експериментів, що зараз проводяться, почасти утруднена через різницю у методичних підходах до постановки досліду, визначення параметрів токсичності, відсутність єдиних одиниць вимірювання кількості наночастинок (міліграм на мілілітр, молярність, міліграм на кілограм маси піддослідної тварини, кількість наночастинок на одну клітину), тощо. Це в значній мірі пояснює розбіжності в отриманих результатах.

Визначення залежності ступеня токсичності наночастинок від їх різновиду є одним із пріоритетних завдань нанотоксикології. Адже різноманітність наночастинок вражає. Це можуть бути ліпосоми, наноемульсії, нанополімери, керамічні наноструктури, золоті наноскорини, вуглецеві наноматеріали - фулерени та нанотрубки, останні в свою чергу можуть бути одно - або багатошаровими [24, 26]. І це ще далеко не повний перелік існуючих наночастинок. Кожен різновид наноматеріалу має, крім загальних, і свої особливі властивості, які слід вивчати у токсикологічному аспекті.

Одним з позачергових напрямків нанотоксикології має стати вивчення джерел отримання наночастинок та шляхів їх потрапляння в оточуюче середовище, накопичення, перерозподілу між його складовими (повітря, грунт, вода), стабільності, природи продуктів розпаду [23]. Відомо, що концентрація будь-якої речовини антропогенного походження в екосистемі прямо пропорційна використанню її в народному господарстві. Зважаючи на інтенсивність зростання темпів ужитку продуктів нанотехнологій, можна передбачити, що в найближчому майбутньому наночастинки посядуть одне з перших місць серед забруднювачів навколишнього середовища.

Окремими розділами нанотоксикології мають стати дослідження фармакокінетичних властивостей продуктів нанотехнології. Актуальним є вивчення шляхів потрапляння наночастинок в організм не лише людини, а й тварин і рослин, які вживаються у їжу. До цього ж розділу слід віднести виявлення особливостей абсорбції, розподілення, метаболізму та екскреції різних видів наночастинок.

Певні відомості з фармакокінетики наноматеріалів вже накопичено. На даний час найбільш розповсюдженим шляхом потрапляння наноречовин до організму є інгаляційний [18]. Це пов'язаність язано з тим, що основна маса наночастинок, які потрапляють в організм людини - це продукти горіння на промислових об'єктах. Вважається, що, завдяки своїм малим розмірам, наночастинки можуть швидко долати біологічні бар'єр кур'єри та розподілятися по організму. Nemmar A. Зі співавторами показали, що вже через одну хвилину після інгаляції вуглецеві наночастинки розміром близько 100 нм, мічені радіоактивним 99Tc, виявляються у крові [32].

До шлунковокишкового тракту наночастинки можуть потрапити не лише напряму з їжею чи водою, а й разом зі слизом з дихальних шляхів. Jani P. зі співавторами повідомляють, що наночастинки, які потрапляють до кишечника, здатні проходити його слизову та розподілятися по організму гематогенним шляхом. Однак інша група вчених не виявила доказів того, що наночастинки, які потрапили per os, здатні всмоктуватися. Вони считают, що наноматеріали виділяються з фекаліями, не потрапляючи до внутрішнього середовища. Дискусійним залишається питання можливості транскутанного шляху потрапляння наночастинок до організму хребетних, хоча є повідомлення про здатність квантових міток проникати у шкіру свиней. Причому проникливість залежить від розміру та хімічного складу зовнішньої оболонки мітки[20, 25, 27].

Нез'ясованими залишаються питання залежності фармакокінетики наноматеріалів від виду наночастинок, їх розмірів, форми. Абсорбція та розподіл по організму квантових міток залежить від форми, заряду та хімічного складу зовнішньої оболонки, шляхів введення тощо. Подібні експерименти проводили із застосуванням багатошарових вуглецевих нанотрубок. Виявилося, що їхня властивість проникати через біобар'кур'єри залежить від розміру та форми трубок [17]. Однак ця проблема в літературі не висвітлена в повній мірі.

Актуальним є вивчення механізмів розподілення наночастинок з організму та механізмів проникнення у клітину. Як для будь-якої речовини, для наночастинок основним механізмом "доставки" до органів є гематогенний шлях. Однак вже встановлено, що, принаймні, деякі наночастинки здатні переміщуватися аксональним транспортом та лімфатичними шляхами [30]. Так, у дослідах на щурах показано, що при інгаляції мічених мітками фулеренів [32] та карбонових наночастинок із середнім діаметром близько 35 нм [33], наноструктури накопичуються в нюховій цибулині мозку щурів, що вказує саме на нейрональний транспорт як шлях їх потрапляння у ЦНС. У цьому аспекті значно цікавість викликає властивість наночастинок зв'язку язуватися з білками під час перебування в організмі. B білках, на яких адсорбуються наночастинки, відбуваються конформаційні зміни [33]. Невідомо, як впливає на властивості наночастинок зв'язку зв'язування з білками плазми крові. Чи наночастинки мають антигенні властивості, також до кінця не з'єднання ясовано. Водночас, більш детальні відомості щодо фармакокінетичних влади-востей наночастинок знайті не вдалося. Вже з цих небагатьох даних видно визначальні особливості наноматеріалів, що вимагає їх поглибленого вивчення.

Особливої уваги у фармакокінетичних дослідженнях нанотоксичності має посісти метаболізм наночастинок у живому організмі. У літературі дані з перетворення наночастинок in vivo представлене набагато меншою кількістю робіт, ніж інші фармакокінетичні характеристики. Не відомо, наскільки безпечними чи навпаки небезпечними є для людини продукти їх біодеградації. У літературних джерелах є повідомлення про те, що полімерні наночастинки та суперпарамагнітні наноструктури оксиду заліза здатні розпадатися в організмі. Дослідження деяких авторів доводять, що ядра квантових міток з сульфідів кадмію та цинку залишаються інтактними протягом місяця в організмі лабораторних щурів [23].

Серед першочергових завдань токсикодинаміки наноматеріалів стоїть вивчення загальних закономірностей взаємодії наночастинок із живими організмами. Зовсім не дослідженими є типові патологічні процеси, що можуть викликатися наночастинками. Із сучасних джерел відомо, що одним із основних, якщо не головним, механізмів ушкодження наноструктурами є оксидативний стрес. Останній призводить до активації різних факторів транскрипції, які в свою чергу підвищують синтез прозапальних речовин [35]. Так, активація мітоген-активуючої протеїнкінази та ядерного фактора транскрипції наночастинками, які утворюються при згорянні, підвищує транскрипцію таких прозапальних речовин, як IL-8, IL-6 та фактору некрозу пухлина [34, 36]. У тієї ж годину, інші ав-тори наводять дані про активізацію процесів апоптозу при дії на клітини нирок in vitro одношарових вуглецевих нанотрубок [16].

Дискусійним залишається питання щодо прямої цитотоксичної дії наноматеріалів. У дослідженні Lovric et al. показано, що квантові мітки з CdTe ядром, вкриті меркаптопропіоновою кислотою, спричиняли прямий цитотоксичний ефект на клітини феохромоцитоми in vitro при концентрації 10 мг/мл. У тієї годину як лише ядра цих же наночастинок були цитотоксичними вже в концентрації 1 мг/мл. Загиблі клітини малі всі ознаки апоптозу - конденсацію хроматину при інтактних мембранах. У дослідах цієї групи вчених вираженість цитолізу залежала від розміру, покриття, заряду квантових міток. Зменшення токсичності спостерігалося при додаванні до культури заходу проти кадмію N-ацетилцистеїну. Застосування антиоксидантів (вітаміну Е) не впливало на цитотоксичність у цих експериментах [29]. Ці досліди вказують на те, що кадмійвмісні квантові мітки підлягають, принаймні частково, біодеградації, їхні токсичні ефекти можуть залежати і від хімічних сполук - продуктів їх розпаду. Водночас деякі дослідники не відмічали цитотоксичності наночастинок [14, 28].

У світовій літературі недостатньо висвітлено питання про фактори, що сприяють підвищенню токсичності наноматеріалів, або ж навпаки, її зменшують. Недослідженою також є взаємодія наноматеріалів та хворого організму, адже досліди проводили in vivo на здорових статевозрілих тваринах.

Важливим аспектом є залежність токсикодинаміки наночастинок від стадії індивідуального розвитку. Перш за все інтерес прикутий до дії наночастинок на ембріон та плід. Робіт з цього приводу знову ж таки бракує. Хоча Dubertret зі співавторами, довели, що ін'єкція квантових міток з ядром із CdSe/ZnS та гідрофільною оболонкою у бластомери Xenopus викликала зміну фенотипу клітин у дозі 5х109 квантових міток на клітину. У дозі 2х109 квантових міток на клітину змін фенотипу не відмічалося [19]. Недоліком цього дослідження є те, що не вивчалися наслідки такого впливу наночастинок на фенотип новонародженої тварини та на хід постнатального розвитку. З огляду на особливості та вищу сприйнятливість дитячого та старечого організму, важливо дослідити взаємодію наноматеріалів саме за таких умов. Наявність патологічного процесу або стану вносити свої корективи в метаболізм взагалі та, скоріше за все, взаємодію з наночастинками, зокрема.

Переважна більшість робіт спрямована на вивчення гострої токсичності наночастинок, у тій годину як віддалені наслідки масивного надходження наноматеріалів до організму або ж хронічного їх потрапляння в організм протягом тривалого часу не вивчалися, хоча й викликають надзвичайну цікавість. Усі вище вказані аспекти нанотоксикології мають бути вивчені як in vitro, так і in vivo. Якщо експерименти на культурах клітин проводяться відносно інтенсивно, то дослідження на цілісних організмах - рідкість серед робіт з цієї сфери.

В Інституті медицини праці НАМН України (директор - академік Ю. І. Кундієв, пров. наук. співробітники - Т. К. Кучерук, В. А. Стібка) проведені дослі-дження з вивчення токсикологічних властивостей нанокремнезему при інгаляційному надходженні. Встановлено, що при інгаляції наночастинки кремнезему проявляють негативний вплив не тільки на легені, а й на інші органи (печінку, міокард, нирки). Токсикологічна активність залежить від розміру наночастинок. Частинки 6-7 нм зумовлюють більш виражені токсикологічні зміни, ніж наночастинки 54-55 нм. У цьому науковому закладі також проводяться дослідження (академік НАМН І.М. Трахтенберг) з вивчення впливу на організм важких металів, зокрема наносвинцю, та наукового обґрунтування засобів безпеки в умовах виробництва нанометалів, розробки лікарських засобів з метою профілактики можливих токсичних впливів таких наноматеріалів[4, 5, 10].

В Інституті гігієни та медичної екології імені О. М. Марзеєва НАМН України (директор - академік НАМН, проф. А. М. Сердюк) вперше створений відділ з вивчення безпеки нанотехнологій та наноматеріалів (зав. - проф. В. Ф. Бабій), у якому вивчаються протимікробні та токсикологічні властивості наносрібла та інших наночастинок [9].

На кафедрі гігієни праці та професійних захворювань Національного медичного університету ім. О. О. Богомольця (зав.. кафедри - член-кор. НАМН Украї-ні, проф. О. П. Яворовський) проводяться дослідження з токсикології наносрібла при різних шляхах введення, а також вивчення умов праці при виробництві наночастинок [6].

Однак слід зазначити, що, не дивлячись на вивчення властивостей наноматеріалів, питанням безпеки їх застосування приділялося досить мало уваги. На думку спеціалістів з Королівського товариства та Королівської інженерної академії Великої Британії у 2004 році ця галузь помітно відставала від розвитку власне нанотехнологічної індустрії (Department for Environmental, food and rural affairs, 2007). На сьогодні дослідження негативного впливу наночастинок на живі організми та екологію активізувалося в усіх країнах світу[13, 21, 31].

Аналіз даних літератури показав, що наноматеріали володіють не тільки більш вираженою фармакологічною активністю, але в деяких випадках й більш вираженою токсичністю у порівнянні із звичайними мікрочастками, здатні проникати в незміненому вигляді через клітинні бар'єр кур'єри, а також, через гематоенцефалічний бар'єр єр, в центральну нервову систему, циркулювати і накопичуватися в органах і тканинах, викликаючи більш виражені патоморфологічні зміни внутрішніх органів, можуть мати тривалий період напіввиведення. Токсичність наночастинок залежить від їх форми і розмірів. Так, дрібні частинки веретено-подібної форми викликають більш руйнівні ефекти в організмі, ніж подібні їм частки сферичної форми. Також при впливі на організм чітко простежується зв'язок "доза-ефект". За останні п'ять років кількість публікацій з нанотокси-кології стабільно збільшується, однак даних про негативну дію наночастинок на організми та екосистему в цілому недостатньо [1, 37].

Відомий український вчений-гігієніст, академік НАН і НАМН України Ю. І. Кундієв, характеризуючи біоетичні аспекти нанотехнологій й наноматері-алів, відмітив: "У тієї ж годину часто забувається про можливість непередбаченого впливу на людину й її геном, нехтується досить проста істина - у світі немає нічого ідеального. Тому потрібен ретельний аналіз не тільки науково-технічної, а й морально-етичної складової досягнення та подальшого розвитку нанотехнологій.

Розвиток таких напрямків як нанобезпека, нанотоксикологія не повинен бути другорядним. Саме біоетика повинна зламати існуючий стереотип, коли технології, навіть найпривабливіші, широко впроваджуються без попереднього глибо-кого і всебічного вивчення" [4]. Вченим України доцільно враховувати та необхідно виконувати рекомендації Ю. І. Кундієва при проведенні наукових розробок з нанотехнологій, нанофармакології, нанотоксикології.

Російський фізіолог, лауреат Нобелівської премії І.П. Павлов (1840-1936) стверджував, що "Людина - найдосконаліший продукт земної природи. Та щоб насолоджуватися скарбами природи, людина має бути здорова, дужа й розумна". Допоможе цьому широке впровадження в наукові дослідження основних положень з біоетики, які викладені в декларації ЮНЕСКО.

Література

1. Глушкова А. В. Нанотехнології і нанотоксикология - погляд на проблему / А. В. Глушкова А. С. Радилов, В. Р. Рембовский // Токсикологічний вісник. - 2007. - № 6. - С. 4-8.
2. Гусєв А. В. Наноматеріали, наноструктури, нанотехнології / А. В. Гусєв. -2-е вид. випр. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 416 с.
3. Кобаясі Н. Введення в нанотехнологію / Н. Кобаясі ; [пер. з япон.]. - М. : БІНОМ. Лабораторія знань. 2007. - 134 с.
4. Кундієв Ю. І. Біоетика - шлях до більш майбутнього / Ю. І. Кундієв // Четвертий Національний конгрес з біоетики з міжнародною участю. - Київ, 2010. - С. 28-30.
5. Кучерук Т. К. Етичні питання при виробництві наноматеріалів та наночастинок / Т. К. Кучерук, Н. А. Сальникова, О. В. Демецька // Четвертий Національний конгрес з біоетики з міжнародною участю. - Київ, 2010. - С. 89-90.
6. Москаленко В. Ф. Екологічні і токсиколого-гігієнічні аспекти біологічної без-пеки нанотехнологій, наночастинок та наноматеріалів / В. Ф. Москаленко, О. П. Яворовський // Науковий вісник Національного медичного університету. - 2009. - № 3. - С. 25-35.
7. Нанонаука і нанотехнології: технічний, медичний та соціальний аспекти / Б. Патон, В. Москаленко, І. Чекман [та ін.] // Вісн. НАН України. - 2009. -№ 6. - С. 18-26.
8. Сергєєв Р. Б. Нанохимия. - 2-е изд., испр. і доп / Р. Б. Сергєєв. - М : Изд-во МДУ, 2007. - 336 с.
9. Сердюк А. М. Біоетичні проблеми в сучасній гігієні та медичній екології / А. М. Сердюк // Четвертий Національний конгрес з біоетики з міжнародною участю. - Київ, 2010. - 37 С..
10. Трахтенберг І. М. Етичні аспекти впровадження наноматеріалів / І. М. Трахтенберг, О. Л. Апихтіна, Н. М. Дмитруха // Четвертий Національний конгрес з біоетики з міжнародною участю. - Київ, 2010. - С. 81-82.
11. Трефілов в. І. Фулерени - основа матеріалів майбутнього / в. І. Трефілов. Київ : Вид-во АДЕФ - Україна, 2001. - 148 с.
12. Фостер Л. Нанотехнології. Наука, інновації та можливості / Л. Фостер ; [пер. з анг.].- Москва : Техносфера, 2008. - 352 с.
13. Нанотоксикологія: напрямки досліджень (огляд) / І. С. Чекман, А. М. Сер дюк, Ю. І. Кундієв [та ін.] // Довкілля та здоров'я. - 2009. - Т. 1, № 48. - С. 3-7.
14. Noninvasive imaging of quantum dots in mice / B. Ballou, B. C. Lagerholm, L. A. Ernst [et al.] // Bioconjugates Chemistry. - 2004. Vol. 15, N. 1. -P. 79-86.
15. Caruthers S. D. Nanotechnological applications in medicine / S. D. Caruthers, S. A. Wickline, G. M. Lanza // Current Opinion Biotechnology. - 2007. -Vol. 18. - P. 26-30.
16. Effect of single wall carbon nanotubes on human HEK293 cells / D. Cui, F. Tian, C. S. Ozkan [et al.] // Toxicologycal Letters. - 2005. - Vol. 155. - P. 73-85.
17. De M. Biomimetic interaction of proteins with functionalized nanoparticales: a thermodynamic study / M. De, C. You, Srivastava S. // Journal of American Society of Chemistry. - 2007. -Vol. 129. - P. 10747-10753.
18. Combustion-derived nanoparticles: a review of their toxicology following inhalation exposure / K. Donaldson, L. Tran, L. Jimenez [et al.] // Part Fipe Toxicol. - 2005. - Vol. 2. - P. 10-14.
19. In vivo imaging of quantum dots encapsulated in phospholipid micelles / B. Dubertret, P. Skourides, D. J. Norris [et al.] // Science. - 2002. - Vol. 298, № 5599. - P. 1759-1762.
20. Pharmacokinetics of nanoscale quantum dots: in vivo distribution, sequestration, and clearance in rat / H. Fisher, Liu L., K. Pang [et al.] // Adv Funct Mater. - 2006. - Vol. 16. - P. 1299-1305.
21. Hannah W. Nanotechnology, risk and the environment: a review / W. Hannah, P. B. Thompson // J. Environ. Monit. - 2008. - Vol. 10, №3. - P. 291-300.
22. Hans CF. Nanotoxicity: the growing need for in vivo study / C. F. Hans, C. W. Warren // Current opinion in Biotechnology. - 2007. - Vol. 18. - P. 565-571.
23. Hardman R. A. Toxicologic Review of Quantum Dots: Toxicity Depends on Physicochemical and Environmental Factors / R. A. Hardman // Environmental Health Perspectives. - 2006. - Vol. 114. - № 2. - P. 165-172.
24. Metal nanoshells / L. R. Hirsch, A. M. Gobin, A. R. Lowery [et al.] // Annual Biomedicine. - 2006. - Vol. 34. - P. 15-22.
25. Hoet P. Nanoparticles - known and unknown health risks / P. Hoet, I. puske-Hohlfeld, O. Salata // Journal of Nanobiotechnology. - 2004. - Vol. 2. -P. 12-15.
26. Liposomal encapsulated anticancer drugs / R. D. Hofheinz, S. U. Gnad-Vogt, U. Beyer [et al.] // Anticancer Drugs. - 2005. - Vol. 16. - P. 691-70.
27. Jani P. Nanoparticle uptake by the gastrointestinal mucosa: quantitation and particle size dependency / P. Jani, G. W. Halbert, J. Langridge // Journal of Pharmacology. - 1990. - Vol. 42. - P. 821-826.
28. Water-soluble quantum dots for multiphoton fluorescence imaging in vivo / D. R. Larson, W. R. Zipfel, R. M. Williams [et al.] // Science. - 2003. - Vol. 300, № 5624. - P. 1434-1436.
29. Differences in subcellular distribution and toxicity of green and red emitting CdTe quantum dots / J. Lovric, H. S. Bazzi, Y. Cuie [et al.] // Journal of Molecular Medicine. - 2005. - Vol. 83, № 5. - P. 377-385.
30. Nanoparticles: pharmacological and toxicological значення / C. Medina, M. J. Santos-Martinez, A. Radomski [et al.] // pitish Journal of Pharmacology. - 2007. - Vol. 150. - P. 552-558.
31. Toxic potential of materials at the nanolevel / A. Nel, T. Xia, L. Madler [et al.] // Science. - 2006. - Vol. 311, № 5761. - P. 622-627.
32. Passage of inhaled particles into the blood circulation in humans / A. Nemmar, P. M. Hoet, B. Vanquickenborne [et al.] // Circulation. - 2002. - Vol. 105. -P. 411-414.
33. Oberdorster E. Manufactured nanomaterials (fullerenes, C60) induce oxidative stress in the pain of juvenile largemouth bass / E. Oberdorster // Environmental and Health Perspectives. - 2004. - Vol. 112. - P. 1058-1062.
34. Acute exposure to diesel exhaust increases IL-8 and GRO-alpha production in healthy human airways / S. S. Salvi, C. Nordenhall, A. Blomberg [et al.] // American Journal of Respiratory Care Medicine. - 2000. - Vol. 161. -P. 550-557.
35. Persistent depletion of I kappa B alpha and interleukin-8 expression in human pulmonary epithelial cells exposed to quartz particles / R. F. Schins, A. McAlinden, MacNee W. [et al.] // Toxicological Application of Pharmacology. - 2000. -Vol. 167. - P. 107-117.
36. Diesel exhaust particles induced release of interleukin 6 and by 8 (primed) human ponchial epithelial cells (BEAS 2B) in vitro / P. A. Steerenberg, J. A. Zonnenberg, J. A. Dormans [et al.] // Lung Research. - 1998. - Vol. 24. - P. 85-100.
37. Subchronical inhalation toxity of silver nanoparticles / J. M. Sung, J. M. Ji, J. D. Park [et al.] // Toxicol Sci. - 2009. - Vol. 108, №2. - Р. 452-461.

Ключовим елементом існування клітини є біомембрана - комплексна структура, що оточує клітину, визначає її межі та відділяє цитозрль від зовнішнього середовища, а вміст органел - від цитозолю. Біомембрана представлена тонкої плівкою товщиною, в середньому, 5 нм, яка складається з ліпідних та білкових молекул, з'єднаних, переважно, за допомогою нековалентних зв'язків. Клітинна мембрана - це динамічна, плинна структура; більшість її молекул здатна дифун-дувати вздовж мембрани. Ліпідні молекули розташовані у вигляді подвійного шару (бішару), який надає мембрані плинних властивостей та виступає у ролі майже непроникного бар'єр єру для багатьох розчинних у води сполук. Багато важливих функцій виконують білки, що, пронизуючи ліпідний бішар, транспортують через мембрану специфічні молекули чи прискорюють мембраноасоційовані реакції, такі як синтез АТФ. Деякі протеїни виступають у ролі структурних ланок, що зв'язку язують цитоскелет (волокнисту актинову коміркову структуру, зв'язку язану з цитозольною поверхнею біомембрани [25]) через ліпідний бішар із зовнішньоклітинною матрицею чи іншою клітиною, тоді як інші є біосенсорами, що приймають та передають хімічні сигнали в клітинне середовище [1]. Біомембрани мають у основі наноструктурні домени - елементи, вивчення яких стало можливим завдяки створенню нових методів дослідження та сучасної апаратури з високою роздільною здатністю. Завданням нанотоксикології та нанотехнологій, на сьогодні, є з'єднання ясування та дослідження закономірностей впливу наночастинок на структуру й функції біомембрани. Адже знання з даного аспекту допомагає не тільки досліджувати лікувальні й токсикологічні властивості наноматеріалів, але й також знаходити нові сфери їх медичного застосування.

Нанорозмірні комірки та аномальна дифузія - еволюція поглядів на структуру біомембрани.

У 1972 році Singer S. J. та Nicolson G. L., спираючись на результати термодинамічних досліджень, запропонували розглядати біомембрану як двовимірну рідину, упорядковану за принципами базі рідинно-мозаїчної моделі. Відповідно до цієї гіпотези, мембрана - це орієнтований, двовимірний, у язкий розчин амфіфільних протеїнів та ліпідів, що перебувають у термодинамічній рівновазі [50].

Погляди на структуру біомембрани змінюються та еволюціонують із розвитком нових технологій дослідження мікро - та наноструктур. Традиційна базі рідинно-мозаїчна модель передбачає існування протеїнів у біомембрані в площині, перпендикулярній до поверхні клітини. На сьогодні відомо, що білки можуть мати великі за розміром ектодомени - ділянки, які виступають над поверхнею мембрани у зовнішньоклітинний простір та створюють об'єднання роз'ємні перешкоди. Останні дослідження також показали, що товщина біомембрани не є однаковою по всій довжині. Плинність ліпідів та відносно мала рухливість протеїнів є підставою для висновку, що ліпідний компонент скривлюється для "маскування" гідрофобних ділянок протеїнів, розташованих над поверхнею мембрани. Однак у окремих випадках може спостерігатись також скривлення й протеїнів. Комплексність та складність структур узагальнена Engelman D. M. (2005), який запро-понував розглядати біомембрану як систему з фрагментарним упорядкуванням олігомерних протеїнів[11].

У вивченні динаміки, структури та функції клітинної мембрани набувають все більшого значення новітні експериментальні технології, що дозволяють вченим відстежувати окремі молекули чи групи молекул. Ці технології надають дослідникам можливість спостерігати пересування, агрегацію та, навіть, активацію індивідуальних молекул у плазматичній мембрані живої клітини. У методі флюоресцентного відстеження окремих молекул (ФВОМ) флюоресцентний зонд (молекула протеїну) зв'язку язується із заданою експериментаторами сполукою-мішенню. Результат реєструється засобами флюоресцентної мікроскопії. У методі відстеження окремих частинок (ВОЧ), наночастинки золота діаметром 20-40 нм зв'язку язуються з певними молекулами для відстеження руху останніх у мембрані за допомогою диференціальної інтерференційно-контрастної мікроскопії (мікроскопії Номарського) чи методом мікроскопії світлого поля [23, 41].

Хоча більшість мембран характеризуються високою плинністю, останні дослідження за допомогою методу ВОЧ виявили комплекс обмежень латеральної рухливості протеїнів [11, 24]. Причинами обмеження є утворення великих олігомерів, зіткнення ектодоменів протеїнів, взаємодії різної природи в бішарі, існування ділянок адгезії та особливості цитоскелетної структури клітини [8].

Існують дві проблеми-запитання, на які двовимірна базі рідинно-мозаїчна модель біомембрани не може дати відповіді. По-перше, чому коефіцієнти дифузії для протеїнів та ліпідів у плазматичній мембрані менші, ніж у штучній мембрані чі у ліпосомах, у 5-50 разів. По-друге, чому олігомери чи молекулярні комплекси дифундують значно повільніше, порівняно із одиничними мономерами. Створення нової моделі структури біомембрани стало необхідним кроком у розумінні природи даних феноменів [23].

Згідно з результатами досліджень ВОЧ, дифузія компонентів біомембрани не підпорядковується закону броунівського руху - спостерігається так звана стрибкоподібна (аномальна) дифузія. Плазматична мембрана поділена на нанокомірки мінімальною довжиною 10 нм (останні дослідження показали, що в природі розміри комірок біомембран залежно від типу живих клітин варіюють від 30 до 250 нм [25]). Всередині комірок дифузія молекул не обмежена перешкодами. Щоб перейти з однієї комірки в іншу, молекулі необхідно здійснити "стрибок", що вимагає витрат часу та енергії [24].

Для пояснення принципів аномальної дифузії були запропоновані дві моделі мембранних структур:1) модель мембранного актинового цитоскелетного паркану (МАЦП);2) модель стовпів із закріплених трансмембранних протеїнів (СЗТП) [24, 41].

На базі даних ВОЧ, із використанням технології оптичного пінцету та клітин із модифікованими цитоскелетом й цитоплазматичними доменами трансмембранних протеїнів, сформована модель МАЦП, згідно з якою цитозольні домени протеїнів стикаються з цитоскелетом, призводячи до тимчасового обмеження руху у цитоскелетній нанокомірці. Трансмембранні білки здатні перестрибувати з однієї комірки в іншу, коли між мембраною та цитоскелетом утворюється достатній простір для проходження цитозольної частини протеїну. Цей простір формується у результаті температурних коливань, коли актинові філаменти цитоскелету тимчасово дисоціюють, а трансмембранний протеїн, відповідно, має достатню кінетичну енергію для подолання бар'єр єру. Результати спостережень з використанням атомно-силової мікроскопії з тривимірною реконструкцією зображення за допомогою комп'ютерній комп'ютерної томографії підтвердили вірність моделі МАЦП [24].

Невирішеним залишалось питання, як обмеження у русі може поширюватися на фосфоліпіди в зовнішньому моношарі мембрани - за умов відсутності прямого контакту з цитоскелетом. Для пояснення була запропонована модель СЗТП. Деякі трансмембранні протеїни (за даними Kusumi A. et al. (2010) - біля 15% від загальної кількості [25]) закріплені в цитоскелеті та відіграють роль "стовпів", що обмежують рух ліпідів у бішарі [41]. Цікавим є факт, що протеїни не обов'язково мають бути з'єднання єднані з актиновими філаментами протягом тривалого часу. Враховуючи, що молекула перетинає комірку у 10 нм у середньому за 10 мс, трансмембранний білок може виконувати роль "стовпа" протягом цього короткого проміжку часу, що є достатньою умовою [24].

Для молекул мономерів біомембрани дифузія між нанокомірками проходити відносно легко, тоді як для великих молекулярних комплексів необхідною умовою переходу є здійснення "стрибку" всіма компонентами одночасно. З цієї причини швидкість перемщення останніх між комірками є більш низькою. Крім того, олігомери часто зв'язку язуються з елементами цитоскелету, що спричинює тимчасову іммобілізацію комплексів. Даний ефект обмеження дифузії отримав назву олігомеризаційно-індукованої пастки (ОІП). У відповідь на дію зовнішньо-клітинного фактору рецептор формує олігомерний комплекс, що, завдяки ефекту ОІП, залишається у комірці, де був отриманий сигнал. Таке обмеження у просторі надзвичайно важливе для сигналів, що викликають локальну реорганізацію цитоскелету чи хемотаксичні ефекти [25, 41].

Нанорозмірні мембранні домени. Гіпотеза ліпідних рафтів.

Більшість ліпідів біомембрани знаходиться у невпорядкованому, мозаїчному стані. Сілі Вандер-Ваальса між сусідніми "хвостами" жирних кислот є недостатньо вибірковими для утримання молекул одного типу разом. Однак для сфінголіпідів, що мають довгі та насичені вуглеводневі ланцюги, сили притягання є достатні-мі для концентрування сполук у малих доменах, що отримали назву "ліпідні рафти" й розглядаються як локальні ділянки фазового переходу - місця, у яких дещо втрачаються властивості мембрани як рідини [37, 48]. Поштовхом до роз-глядання проблеми існування ліпідних рафтів стали дослідження з утворення в модельних мембранах впорядкованих (l ) та плинних (ld) фаз під впливом холестерину на фосфоліпіди. Дійсно, холестерин впорядковує ацильні ланцюги ліпідів, що призводить до утворення фазі l [32]. Процесу упорядкування особливо сприяють сфінголіпіди, що мають лінійні насичені ацильні ланцюги та здатні утворювати міжмолекулярні водневі зв'язки. Проведені на модельних мембранах експерименти підтверджували динамічне існування двох фаз [47], що лягло в основу "гіпотези рафтів" [33].

Відомо, що біомембранам властива гетерогенність, яка пояснюється просторовим обмеженням білків та ліпідів у нанорозмірних ділянках [30]. Зміна рухливості та тимчасове скупчення молекул у цих доменах може мати прямий вплив на здатність мембрани виконувати біологічні функції та забезпечуваті можливість здійснення таких клітинних процесів, як збудливість, презентація антигенів та міжклітинні взаємодії. Передбачуваний розмір цих мембранних доменів варіює від декількох одиниць до сотень нанометрів.Згідно із запропонованою Koopman М. (2006) моделлю мембрани, частина молекул впорядковано розташована в окремих нанорозмірних доменах, що функціонують у ролі "мембранних організаторів", які підтримують та приско-рюють утворення функціональних доменів більших розмірів у відповідь на дію зовнішніх чи внутрішніх чинників [20]. При цьому нанорозмірні ліпідні домени розглядаються як прекурсори рафтів [31]. Відкриття нанодоменів стало можливим завдяки використанню скануючої ближньопольової оптичної мікроскопії [20]. Ліпідні рафти більш щільні, ніж інші ділянки бішару, та є місцем накопичення певних мембранних білків, що уможливлює їх функціонування у комплексі для перетворення сигналів зовнішнього середовища у внутрішньоклітинну відповідь, а також для участі в процесах екзо - та ендоцитозу, клітинної адгезії та мембранного транспорту. Ліпіди одного моношару рухаються незалежно від ліпідів іншого. Однак у рафтах молекули перемщуються узгоджено в обох моношарах завдяки взаємодії протилежно розташованих вуглеводневих ланцюгів сфінголіпідів[15, 37, 45, 49]. Koopman М. (2006) запропонована модель організації клітинної мембрани, у якій у неактивного стані малі ліпідні (рафтові) та протеїнові домени співіснують з окремими мономерами. При активації (під дією подразнюючого чинника) формуються більші протеїнові домени, стабілізовані лі-підними рафтами [20].Плазматична мембрана тваринних клітин містить велику кількість багатих на сфінголіпіди та холестерин ліпідних рафтів [29], розмір яких залишається предметом дискусій: деякі автори считают його рівним 15-44 нм [37], інші-30-250 нм [25]. Причиною цього є відсутність серед вчених світу єдиних загальноприйнятих методів дослідження рафтів та загальних визначень [9]. Відкритим залишається питання, що саме називати рафтами - "мембранні організатори" чи більші активовані функціональні домени, а також, чи існують ліпідні рафти в неактивного стані [20].

Біологічні наноканали та нанофлюїдика.

У нормі ліпідний бішар проникний лише для незаряджених неполярних молекул малого розміру. Проходженню гід-рофільних та заряджених молекул перешкоджає гідрофобний, діелектричний бар'єр єр. Біомембрана виступає у ролі електричного ізолятору. Транспортування іонів через мембрану забезпечують іонні канали - спеціалізовані трансмембранні протеїни [28, 57]. Деякі з цих каналів, так звані "канали витоку", дозволяють іонам переміщуватися у клітину чи з неї за градієнтом концентрації; інші відіграють більш активну роль та діють як ворітний механізм, що контролює іонні потоки. Протеїни іонних каналів створюють у біомембрані порі, що уможлив-лює рух іонів у відповідь на різноманітні подразники, серед яких - дія хімічних лігандів, зміни мембранного потенціалу, температури та чинники механічного впливу. Зміни в іонному розподілі можуть, у свою чергу, спричиняти зміни в мембранному потенціалі та, у випадку іонів кальцію, безпосередньо активувати різні внутрішньоклітинні сигнальні каскади. Генеровані іонними каналами сиг-нали є одними з найшвидших серед зареєстрованих у біосистемах. Іонний потік крізь пору може досягати значень 10⁹ іон/с [5].

Існують дві основні групи ворітних каналів - потенціал-залежні (ПЗК) та ліганд-залежні (ЛЗК). При мембранному потенціалі спокою канали повністю зачинені та непроникні для потоку іонів. Тім не менш, при зміні мембранного потенціалу (ПЗК), взаємодії з певною сполукою (ЛЗК) чи під дією іншого фактору, канал може відкритися [28].

Біологічні іонні канали - це наповнені водою нанорозмірні пори, сформовані молекулами протеїнів у біомембрані. Просторове обмеження рідини в нанопорі призводить до появи нових властивостей, адже розміри пір наближаються до типових молекулярних величин та довжини Дебая - відстані, на яку поширюється дія електричного поля окремого заряду в нейтральному середовищі, що складається з позитивно та негативно заряджених частинок. Довжина Дебая залежить від концентрації заряджених часток, діелектричної сталої та абсолютної температури. Феномен зміни властивостей рідини в нанорозмірних каналах є об'єднання об'єктом великого наукового інтересу, адже лежить в основі біологічних процесів, що відбуваються у природних наноканалах біомембрани [22]. Дослідження даного феномену - завдання нанофлюїдики - нової науки, що вивчає властивості рідин у нанорозмірних структурах [3, 12]. Докладне вивчення цих властивостей допомо-же зрозуміти наноприроду процесів клітинного гомеостазу та передачі сигналів у нервовій та м язовій тканинах, що що регулюються іонними наноканалами [12].

Нанофлюїдика досліджує феномени в нанорозмірних рідинних системах. Серед них найбільш важливі:

• Феномен поверхневої енергії. У макросистемах з ламінарним потоком рідини прийнято вважати, що швидкість потоку граничного шару рідини дорівнює нулю. У наноканалах опір рідини біля поверхні зменшується, внаслідок чого спостерігається "ефект ковзання" - рідина має відмінну від нуля швидкість переміщення. Ковзання найбільш характерне для рідин біля гідрофобних жорстких поверхонь. Також проявом феномену є створення від'від'ємного тиску рідини в наноканалі [34, 54].
• Феномен зсуву. Зростання сил зсуву в нанорозмірній рідині уможливлює розтягування та фрагментацію молекул полімерів, що використовується в діагностичних та інших дослідних цілях [10].
• Феномен надгідрофобності, або "лотос-ефект". Виникненню "надгідрофобних" властивостей сприяє значна шорсткість поверхні наноканалів. У природі цей ефект можна спостерігати, коли краплі дощу скочуються по гідрофобній поверхні листка лотосу, очищуючи його від мікроорганіз-мів та частинок пилу [10].
• Феномен електричного подвійного шару. Внаслідок наближення значення радіусу наноканалів до довжини Дебая, у останніх спостерігається явище накладання електричних подвійних шарів поверхонь. Це призводить до значного зростання електропровідності каналу. Іони, що мають однойменний з внутрішньою поверхнею каналу заряд, будуть видалені з нього. Наноканал натомість буде заповненості іонами протилежного заряду - контріонами. Наслідком накладання електричних подвійних шарів та підвищення концентрації контріонів є зростання осмотичного та гідростатичного тиску в наноканалах. У нирках цей феномен лежить в основі напівпроникності базальної мембрани нефронів - не дозволяє негативно зарядженим молекул альбуміну переходіті з крові в первинну січу, бо базальна мембрана нефрону несе негативний заряд. Феномен електричного подвійного шару знайшов практичне використання у синтетичних мембранах, заряд поверхні яких може штучно змінюватись протягом експерименту, що дозволяє застосовувати пристрої як нанофільтри [46].
• Феномен розміру. Розмір молекул та об'єднання роз'ємні сили відштовхування на нанорозмірному рівні спричинюють виникнення ефекту ексклюзії - різної здатності речовин проникати в пори носія. Феномен покладено в основу розділення сполук методом ексклюзійної хроматографії. У природі ефект ексклюзії відіграє роль у функціонуванні аквапоринів - водних наноканалів, що транспортують воду, альо є непроникними для високомолекулярних сполук та електролтв (для проходження через наноканал електролітам необхідно було б позбутися власної водної оболонки, що є енергетично невигідним). Завдяки водневим зв'язку язкам, молекули води проходять через вузький просвіт каналу у вигляді неперервного потоку товщиною в одну молекулу [6].
• Феномен молекулярної структури. Врахування взаємодій на рівні окремих молекул системи є надзвичайно важливим для нанофлюїдики. На-приклад, для аквапоринів ще однією причиною непроникності для заряджених часток, зокрема протонів, є існування ароматичності-аргінінового селективного фільтру - позитивно заряджений аргінін не дозволяє протонам надходити в наноканал [7].
• Феномен ентропії. Природні системи прагнуть до збільшення ймовірних станів - збільшення ентропії. Наприклад, ДНК має значно більше ймовірних станів у згорнутому положенні, ніж у розгорнутому. Тому для збільшення ентропії, молекула буде ймовірніше займати великі порожнини поверхні, а не заповнювати малі. Цей феномен знайшов застосування у "пастках ентропії", що використовуються для розділення молекул ДНК за довжиною [53].

На сьогодні нанофлюїдика знаходить біотехнологічне застосування у створенні "лабораторій на чипі" - високочутливих аналітичних засобів, що здатні ізолювати та досліджувати окремі макромолекули [3]. Практичне застосування знайшов перемикач іонних каналів - біосенсор, що містить іонні канали граміцидину А. Граміцидиновий канал, що містить пору діаметром 0, 4 нм та довжиною 2, 8 нм, хаотично перемщується у ліпідній мембрані, отже виступає у ролі динамічного нанобіосенсору. Перемикач іонних каналів забезпечує швидке виявлення низько - та високомолекулярних сполук. Сигналом, при виявленні аналізу, є реакція зі специфічними антитілами, що перекривають транспорт іонів, чи "молекулярними пробками", які блокують канальну пору. Перемикач іонних каналів застосовується у діагностиці, зокрема - для швидкого виявлення вірусу грипу А у біологічному матеріалі [22]. Для імітації процесів іонного транспорту в біомембранах розроблені штучні наноканали, що дозволив пришвидшити розвиток наномашин-біосенсорів та засобів нанофлюїдики. Ідеальним вибором для досліджень з нанофлюїдики сталі вуглецеві нанотрубки, що хімічно інертні та мають просту структуру; крім цього, довжина й діаметр нанотрубок можуть біти легко модифіковані. Вибірковість іонного транспорту в штучних наноканалах регулюється змінами температури та рН [12, 17].

Вплив наночастинок на структуру та функції біомембрани.

Здобуття глибоких та всебічних знань у сфері взаємодії наночастинок з біологічними системами, зокрема з біомембраною, є головним завданням у визначенні лікувальних та ток-сикологічних властивостей наночастинок та напрямків їх потенційного застосування як медикаментів та засобів доставки біологічно активних речовин [27].

Зацікавленість вчених цим питанням підтверджується побудовою комп'ютерній комп'ютерних моделей [13, 38] та проведенням експериментальних досліджень [42, 43] з вивчення різних аспектів взаємодії компонентів біомембрани та наночастинок (НЧ); зокрема велику увагу приділено гідрофобному ефекту НЧ. Зокрема, Hong S. et al. (2004) визначили, що незаряджені ("гідрофобні") дендримери абсорбуються ліпідним бішаром, тоді як заряджені - спричинюють виникнення отворів у мембрані. Дендримери з первинними кінцевими аміногрупами в нейтральному середовищі протонуються, утворюючи катіонний полімер. Такі структури можуть вступати в електростатичну взаємодію з біомембраною, у результаті чого в останній утворюються відчини діаметром 15-40 нм, порушується цілісність. Чим більшу кількість первинних аміногруп містить дендример, тім вища густина заряду його поверхні, а отже - сильніший руйнівний вплив на біомембрану. Після видалення розчину дендримерів мембранна структура протягом 2 годин може відновитися завдяки процесах ауторепарації. Альо, у концентраціях більше 500 нМ дендримери-полікатіони спричинюють достатня ма-сивну дендропорацію (утворення отворів), що призводить до загибелі клітини. Дендримери з термінальними ацетамідними групами не формують отворів, бо не утворюють зарядженого полімеру. Для проникнення у клітину такі дендримери необхідно функціоналізувати залишком фолієвої кислоти для їх взаємодії з фолат-рецепторами на поверхні мембрани та надходження шляхом ендоцитозу в клітину [16, 26].

Qiao R. et al. (2007) проведені дослідження з впливу гідрофобності фулеренів на їх поведінку в біомембрані. Тоді як гідрофобний нефункціоналізований "первинний" фулерен С60 може проникати крізь бішар, його гідрофільні похідні здатні лише адсорбуватися на поверхні. Первинний фулерен при проникненні в мембрану збільшує відстань між "голівками" ліпідів у місці проходження. Це надає більшим за розмірами молекул можливість проникати в клітину та порушувати цілісність мембрани. Опосередкований механічний вплив на проникність мембрани доповнюється біохімічним механізмом ушкодження - фулерени здатні спричинювати запуск процесів перекисного окиснення ліпідів. Гідрофільні похідні С6₀ сприяють ущільненню "голівок" ліпідів, що пояснює їх низьку токсичність порівняно з первинним фулереном [38]. Дослідження Kraszewski S. et al. (2010) показали, що первинні фулерени здатні зв'язку язуватися з різними ділян-ками калієвих каналів біомембрани та спричиняти розвиток токсичних ефектів, діючи як блокатори чи модулятори [21].

Li Y. et al. (2008) продемонстрували механізм взаємодії НЧ різної гідрофобності з біомембраною за допомогою методів "крупнозернистої" молекулярної динаміки. В експерименті використані гідрофобні та напівгідрофільні частинки діаметром 10 нм. Для визначення можливості проникнення частинок крізь мембрану були обчислені профілі вільної енергії. Також були досліджені флуктуаційні ефекти як відображення впливу НЧ на структуру й цілісність мембрани. У досліді з гідрофобною НЧ остання послідовно проникала в мембрану, розсовуючи ліпіди та повністю заповнюючи проміжок між ними, та зупинилась у центральній ділянці бішару. Протягом всього експерименту жодна молекула води не проходила крізь ліпідний бішар, що свідчить про збереження мембранної цілісності. Отже, мембрана стає більш щільною, альо нових отворів не утворюється. У випадку напівгідрофільної НЧ остання лише адсорбувалася на поверхні бішару [27]. Ці результати підтверджені в експерименті, де НЧ золота, вкриті гідрофільною оболонкою, не проникали шляхом пасивного транспорту через фосфоліпідні мембрани [2]. Тім не менш, експерименти свідчать, що НЧ можуть потрапляти в клітину шляхом ендоцитозу з формуванням ліпідної транспортної везикули [40].

Важливу роль у взаємодії з біомембраною, поряд з гідрофобним ефектом, ві-діграє розмір частинок. Roiter Y. et al. (2008) провели дослідження впливу на ліпідний бішар полярних НЧ кремнію різних розмірів. Згідно отриманих результатів, частинки розміром менше 1, 2 нм не впливали на структуру мембрани. НЧ 1, 2-22 нм утворювали порі у бішарі. Цей факт пояснювався тим, що присутність гідрофільних НЧ у біомембрані є термодинамічно невигідною. Щоб ізолювати гідрофобний компонент від полярної частинки бішар був вимушений утворювати пори. Також виявилося, що вплив НЧ на мембрану залежить від кривизни поверхні нанооб'об'єктів. Існує критичний розмір частинок, що дорівнює 22 нм для мембрани товщиною 5 нм, при перевищенні якого співвідношення енергії адгезії та пружної деформації ліпідного бішару зумовлює "обгортання" НЧ мембраною [42, 43].

При адсорбції на поверхні чи проникненні у мембрану НЧ можуть змінювати її поверхневий натяг та інші властивості, що, у свою чергу, може вплинути на функції біомембрани, наприклад, на поділ клітин [27].

Увагу наукового світу на сьогодні привертають нанометали - антибактеріальні лікарські засоби нового покоління. Важливим є дослідження впливу цих наноматеріалів на прокаріотичні біомембрани - для встановлення механізму протимікробної дії та еукаріотичні біомембрани - з метою дослідження та оцінки токсичності. Одним з найбільш перспективних антибактеріальних агентів є наносрібло. Достеменний механізм протимікробної дії НЧ срібла досі не відомий. Нанорозмірні частинки в розчині здатні вивільняти деяку кількість іонів, з чим може бути пов'язана біологічна дія [36].

Завдяки дисоціації великої кількості карбоксильних та фосфатних функ-ціональних груп мембрани при фізіологічних значеннях рН, поверхня бактеріальних та спорових клітин негативно заряджена. Протилежні заряди бактерії та НЧ зумовлюють накопичення останніх на поверхні мембрани внаслідок електро-статичних взаємодій [52]. Альо, електростатичні явища не у всіх випадках відіграють ключову роль у адгезії частинок на поверхні біомембрани, адже активні НЧ можуть бути заряджені негативно та все одне взаємодіяти з біомембраною [18]. Цікавими є дослідження Wang B. et al. (2008), результати яких допомагають встановити зв'язок між видом заряду НЧ та локальними змінами в щіль-ності фосфоліпідів біомембрани. Цей феномен був досліджений при дії частинок на "голівки" фосфатидилхоліну (ФХ) у мембрані, що закінчуються електричним диполем Р ^- -N⁺. Аніонні НЧ взаємодіяли з N⁺, спричинюючи місцеве підвищення щільності ліпідів, тоді як позитивно заряджені НЧ взаємодіяли з Р -, зменшуючи щільність. Таким чином, заряджені НЧ сприяли виникненню ділянок локального фазового переходу в біомембрані [56].НЧ срібла після адгезії на поверхні біомембрани зв'язку язуються з сірковмісни-ми та іншими протеїнами мембрани, призводячи до їх денатурації [35, 39]. Порушення морфології мембрани під дією срібла може спричинити значне підвищення проникності, призводячи до неконтрольованого транспорту сполук через мембрану і, в кінці кінців, до смерті клітини [35, 36]. Аналіз за допомогою трансмісійної електронної мікроскопії (ТЕМ) дозволив довести факт утворення частинками наносрібла "пір" у біомембрані [51]. Взаємодіючи з протеїнами мембрани, НЧ срібла порушують функціонування дихального ланцюга бактерії [4, 36, 39], а також, внаслідок інактивації антиоксидантних ферментів, запускають утворення вільних радикалів та наступне перекисне ушкодження мембрани [18].

На стовбурових клітинах мишей досліджені токсичні властивості НЧ срі-бла. Результати показали, що в еукаріотичній клітині наносрібло має більший токсичний вплив на метаболічні процеси, менший - на біомембрану [4]. "Чисті" НЧ срібла більш токсичні для еукаріотичних клітин, ніж функціоналізовані (нанорозмірні частинки тіопронін-срібло; вкриті шаром бичачого сироваткового альбуміну НЧ сплаву срібло-платина; НЧ срібла, захищені натрію поліглутаматом). Це підтверджує гіпотезу, що токсичність частинок пов'язана з присутністю відкритих металічних поверхонь, тоді як захищені органічним шаром частинки менш токсичні. Виключення становлять лише НЧ срібла, функціоналізовані крохмалем, що призводять до порушення функцій мітохондрій, індукції апоптозу процесів перекисного окиснення ліпідів, ушкодження ДНК та зупинки клітинного циклу [19]. Вплив хімічних властивостей поверхні на токсичність НЧ також досліджу-вали Wagner A. J. et al. (2007). В експерименті застосовані частинки алюмінію та оксиду алюмінію однакових розмірів. Результати показали, що алюміній виявивши значно більшу токсичність порівняно з оксидом. Автори дійшли до висновку, що цитотоксичність НЧ алюмінію напряму залежить від хімічної будови частинок-покриття поверхні частинок киснем оксидів зменшувало токсичні ефекти [55].

Деякі автори считают, що НЧ срібла не мають прямого впливу на протеїни біомембрани. Тієї факт, що антибактеріальна активність наноструктурованого срібла перевищує активність срібла нітрату пояснюється здатністю наносрібла поступово та протягом тривалого часу постійно вивільняти іони срібла в серед-вище [14, 44].

Отже, НЧ можуть впливати на такі властивості ліпідного бішару, як цілісність, поверхневий натяг та локальна щільність ліпідів. Альо ї мембрана, як складна комплексна структура, здатна завдяки природних засобам ауторепара-ції самостійно адаптуватися до зовнішнього впливу [27].

ЛІТЕРАТУРА

1. Engelman D. M. Membranes are more mosaic than fluid / D. M. Engelman // Nature. - 2005. - Vol. 438, № 7068. - P. 578-580.
2. pH-tunable ion selectivity in carbon nanotube pores / F. Fornasiero, J. B. In, S. Kim [et al.] // Langmuir. - 2010. - Vol. 26, № 18. - P. 14848-14853.
3. Ginzburg V. V. Modeling the thermodynamics of the interaction of nanoparticles with cell membranes / V. V. Ginzburg, S. Balijepalli // Nano Lett. - 2007. -Vol. 7, № 12. - P. 3716-3722.
4. Green fluorescent protein-expressing Escherichia coli as a model system for investigating the antimicrobial activities of silver nanoparticles / S. K. Gogoi, P. Gopinath, Paul A. [et al.] // Langmuir. - 2006. - Vol. 22, № 22. -P. 9322-9328.
5. Helms J. B. Lipids as targeting signals: lipid rafts and intracellular trafficking / J. B. Helms, C. Zurzolo // Traffic. - 2004. - Vol. 5, № 4. - P. 247-254.
6. Interaction of poly(amidoamine) dendrimers supported with lipid bilayers and cells: hole formation and the relation to transport / S. Hong, A. U. Bielinska, A. Mecke [et al.] // Bioconjug. Chem. - 2004. - Vol. 15, № 4. - P. 774-782.
7. A biomimetic asymmetric responsive single nanochannel / X. Hou, F. Yang, L. Li [et al.] // J. Am. Chem. Soc. - 2010. - Vol. 132, № 33. - P. 11736-11742.
8. Antimicrobial effects of silver nanoparticles / J. S. Kim, E. Kuk, K. N. Yu [et al.] // Nanomedicine. - 2007. - Vol. 3, № 1. - P. 95-101.
9. Silver nanoparticles / [Klippstein R., Fernandez-Montesinos R., Castillo P. M. et al.]. - Vienna: IN-TECH Books, 2010. - P. 309-324.
10. Koopman M. Nanoscale cell membrane organization: a near-field optical view / Koopman M. - Enschede: University of Twente, 2006. - 142 p.
11. Affinity of C60 neat fullerenes with membrane proteins: a computational study on potassium channels / S. Kraszewski, M. Tarek, W. Treptow [et al.] // ACS Nano. - 2010. - Vol. 4, № 7. - P. 4158-4164.
12. Krishnamurthy V. Ion channel biosensors - part I: construction, operation, and clinical studies / V. Krishnamurthy, S. Monfared, B. Cornell // IEEE Transactions on Nanotechnology. - 2010. - Vol. 9, № 3. - P. 313-322.
13. Single-molecule tracking of membrane molecules: plasma membrane compartmentalization and dynamic assembly of raft-philic signaling molecules / A. Kusumi, H. Ike, C. Nakada [et al.] // Semin. Immunol. - 2005. - Vol. 17, № 1. - P. 3-21.
14. Paradigm shift of the plasma membrane concept from the two-dimensional continuum fluid to the partitioned fluid: high-speed single-molecule tracking of membrane molecules / A. Kusumi, C. Nakada, K. Ritchie [et al.] // Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. - 2005. - Vol. 34. - P. 351-378.
15. Hierarchical organization of the plasma membrane: investigations by single-molecule tracking vs. fluorescence correlation spectroscopy / A. Kusumi, Y. M. Shirai, I. Koyama-Honda [et al.] // FEBS Lett. - 2010. - Vol. 584, № 9. -P. 1814-1823.
16. Nanoparticle interaction with biological membranes: does nanotechnology present a Janus face? / P. R. Leroueil, S. Hong, A. Mecke [et al.] // Acc. Chem. Res. -2007. - Vol. 40, № 5. - P. 335-342.
17. Li Y. Computational investigation of interaction between nanoparticles and membranes: hydrophobic/hydrophilic effect / Y. Li, X. Chen, N. Gu // J. Phys. Chem. B. - 2008. - Vol. 112, № 51. - P. 16647-16653.
18. Li-Fries J. Ion channels in mixed tethered Bilayer lipid membranes / J. Li-Fries // Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 2007. - 140 p.
19. Amyloid oligomer neurotoxicity, calcium dysregulation, and lipid rafts / F. Malchiodi-Albedi, S. Paradisi, A. Matteucci [et al.] // Int. J. Alzheimers Dis. - 2011. - Vol. 2011, № 906964. - P. 1 -17.
20. Maxfield F. R. Plasma membrane microdomains / F. R. Maxfield // Curr. Opin. Cell. Товарbiol. - 2002. - Vol. 14, № 4. - P. 483 -487.
21. Mayor S. Rafts: scale-dependent, active lipid organization at the cell surface / S. Mayor, M. Rao // Traffic. - 2004. - Vol. 5, № 4. - P. 231 -240.
22. Acyl-chain methyl distributions of liquid-ordered and-disordered membranes / M. Mihailescu, R. G. Vaswani, E. Jardón-Valadez [et al.] // Biophys. J. - 2011. - Vol. 100, № 6. - P. 1455 -1462.
23. Нейман A. K. Understanding lipid rafts and other related membrane domains / A. K. Неймана, M. S. Itano, K. Jacobson // F1000 Товарbiol Rep. - 2010. - Vol. 2, № 31. - P. 1 -5.
24. Microfluidics and complex fluids / P. Nghe, E. Terriac, M. Schneider [et al.] // Lab. Chip. - 2011. - Vol. 11, № 5. - P. 788 -794.
25. Pal S. Does the antibacterial activity of silver nanoparticles depend on the shape of the nanoparticle? A study of the Gram-negative bacterium Escherichia coli / S. Pal, K. Y. Tak, J. M. Song // Appl. Environ. Microbiol. - 2007. - Vol. 73, № 6. - P. 1712 -1720.
26. The bactericidal potential of silver nanoparticles / E. Parameswari, C. Udayasoorian, S. P. Sebastian [et al.] // International Research Journal of Biotechnology. - 2010. - Vol. 1, № 3. - P. 44 -49.
27. Parton R. G. Lipid rafts and plasma membrane microorganization insights from Ras / R. G. Parton, J. F. Hancock // Trends Cell. Товарbiol. - 2004. - Vol. 14, № 3. - P. 141 -147.
28. Translocation of C60 and its derivatives across a lipid bilayer / R. Qiao, A. P. Roberts, A. S. Mount [et al.] // Nano Lett. - 2007. - Vol. 7, № 3. - P. 614 -619.
29. Antibacterial characterization of silver nanoparticles against E. coli ATCC-15224 / M. Raffi, F. Hussain, T. M. Bhatti [et al.] // J. Mater. Sci. Technol. - 2008. - Vol. 24, № 2. - P. 192 -196.
30. Size-dependent internalization of particles via the pathways of clathrin - and caveolae-mediated endocytosis / J. Rejman, V. Oberle, I. S. Zuhorn [et al.] // Biochem. J. - 2004. - Vol. 377. - P. 159 -169.
31. The fence and picket structure of the plasma membrane of live cells as revealed by single molecule techniques (Review) / K. Ritchie, R. Iino, T. Fujiwara [et al.] // Mol. Membr. Товарbiol. - 2003. - Vol. 20, № 1. - P. 13 -18.
32. Interaction of nanoparticles with lipid membrane / Y. Roiter, M. Ornatska, A. R. Rammohan [et al.] // Nano Lett. - 2008. - Vol. 8, № 3. - P. 941 -944.
33. Interaction of lipid membrane with nanostructured surfaces / Y. Roiter, M. Ornatska, A. R. Rammohan [et al.] // Langmuir. - 2009. - Vol. 25, № 11. - P. 6287 -6299.
34. Strain specificity in antimicrobial activity of silver and copper nanoparticles / J. P. Ruparelia, A. Chatterjee K., S. P. Duttagupta [et al.] // Acta Biomater. - 2008. - Vol. 4, № 3. - P. 707 -716.
35. Salaun C. Lipid rafts and the regulation of exocytosis / C. Salaun, D. J. James, L. H. Chamberlain // Traffic. - 2004. - Vol. 5, № 4. - P. 255 -264.
36. Si-supported mesoporous and microporous oxide interconnects as electrophoretic gates for application in microfluidic devices / R. Schmuhl, W. Nijdam, J. Sekulic [et al.] // Anal. Chem. - 2005. - Vol. 77, № 1. - P. 178-184.
37. Silvius J. R. Partitioning of membrane molecules between and raft non-raft domains: insights from model-membrane studies / J. R. Silvius // Biochim. Biophys. Acta. - 2005. - Vol. 1746, № 3. - P. 193-202.
38. Simons K. Model systems, lipid rafts, and cell membranes / K. Simons, W. L. Vaz // Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. - 2004. - Vol. 33. - P. 269-295.
39. Simons K. Revitalizing membrane rafts: new tools and insights / K. Simons, M. J. Gerl // Nat. Rev. Mol. Cell. Товарbiol. - 2010. - Vol. 11, № 10. - P. 688-699.
40. Singer S. J. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes / S. J. Singer, G. L. Nicolson // Science. - 1972. - Vol. 175, № 23. - P. 720-731.
41. Sondi I. Silver nanoparticles as antimicrobial agent: a case study on E. coli as a model for Gram-negative bacteria / I. Sondi, B. Salopek-Sondi // J. Colloid Interface Sci. - 2004. - Vol. 275, № 1. - P. 177-182.
42. Metal oxide nanoparticles as bactericidal agents / P. K. Stoimenov, R. L. Klinger, G. L. Marchin [et al.] // Langmuir. - 2002. - Vol. 18, № 17. - P. 6679-6686.
43. Mechanisms of DNA separation in entropic trap arrays: a Броунівський dynamics simulation / M. Streek, F. Schmid, T. T. Duong [et al.] // J. Biotechnol. - 2004. -Vol. 112, № 1-2. - P. 79-89.
44. Capillarity induced negative pressure of water plugs in nanochannels / N. R. Tas, P. Mela, T. Kramer [et al.] // Nano Letters. - 2003. - Vol. 3, № 11. -P. 1537-1540.
45. Cellular interaction of different forms of aluminum nanoparticles in rat alveolar macrophages / A. J. Wagner, C. A. Bleckmann, R. C. Murdock [et al.] // J. Phys. Chem. B. - 2007. - Vol. 111, № 25. - P. 7353-7359.
46. Nanoparticle-induced surface reconstruction of phospholipid membranes / B. Wang, L. Zhang, S. C. Bae [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. U S A - 2008. -Vol. 105, № 47. - P. 18171-18175.
47. Yeagle P. L. Cell Membrane Features / P. L. Yeagle // Encyclopedia of life sciences. - 2001. - P. 1-7.