ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА В БИОМЕДИЦИНЕ

APPLICATIONS OF SILVER NANOPARTICLES IN BIOMEDICINE

Victoria Salakhova

student, Department of Biochemistry, Biotechnology and Bioengineering, Samara National Research University,

Russia, Samara

Marina Yazykova

scientific supervisor, Doctor of Biological Sciences, professor, Samara National Research University,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена возможность применения наночастиц серебра в области биомедицины.

ABSTRACT

The article considers the possibility of using silver nanoparticles in the field of biomedicine.

Ключевые слова: нанотехнологии; наночастицы серебра; биомедицина.

Keywords: nanotechnology; silver nanoparticles; biomedicine.

Нанотехнологии – область научных исследований, которая развивается с 1959 года и остаётся одной из наиболее динамично развивающихся в современном мире. К объектам нанотехнологий относят структуры, системы и устройства, имеющие размер от 1 нм до 100 нм.

Среди большого количества наноматериалов можно выделить наночастицы. Металлические наночастицы обладают уникальными физическими, химическими и биологическими свойствами (высокое соотношение площади поверхности к объему при небольшом размере, высокая реакционная способность, каталитическое действие, высокая электро- и теплопроводность, антибактериальная активность) [1].

Среди металлических наночастиц благодаря высокой антибактериальной активности все большее внимание привлекают наночастицы серебра– структуры размером 1–100 нм, содержащие от 20 до 15 000 атомов серебра. Серебро и его соединения использовались для антибактериальных и терапевтических целей на протяжении тысячелетий. Однако наиболее активной формой считается серебро в наноразмерном виде [2]. Например, в результате высокого соотношения площади поверхности к объему наночастицы серебра более эффективно проявляют антибактериальное действие благодаря большей площади взаимодействия со взаимодействующим материалом.

В настоящее время наночастицы серебра широко используются в сельском хозяйстве, различных областях промышленности, а также фармацевтике и медицине в качестве средств для доставки лекарств, борьбы с микроорганизмами, лечения онкологических заболеваний, заживления ран, создания биосенсоров.

Антибиотики использовались для лечения бактериальных инфекций в течение многих лет; однако в результате неконтролируемого, невнимательного и неправильного их применения антибиотиков у микроорганизмов стала развиваться резистентность к данным препаратам. В результате многие препараты на основе антибиотиков утратили свою эффективность из-за появления устойчивых штаммов. Однако потенциальным решением данной проблемы является применение наночастиц серебра. В своем исследовании И. Сонди с коллегами исследовали антибактериальную активность наночастиц серебра по отношению к E. coli. В результате проведенного анализа полученных результатов авторы сообщили, что антибактериальная активность зависела от концентрации наночастиц. При использовании энерго-дисперсионной спектроскопии они обнаружили, что наночастицы серебра прикреплялись к клеточной стенке бактерий, что вызывало, вызывая структурные изменения и деградацию белков и, наконец, разрушение бактериальной клетки и гибель клеток [3].

В результате порезов, разрывов или ожогов кожных тканей в ответ на раздражители или травму формируются раны. Заживление ран требует активного взаимодействия между внеклеточным матриксом и различными клеточными компонентами кожи, а также участия множества факторов, включая факторы свертывания крови, соединительную ткань, цитокины, сосудистую систему, факторы роста. Чтобы предотвратить развитие осложнений, были разработаны подходы к терапии ран, основанные на применении нанотехнологий. Наноматериалы можно использовать в качестве средства доставки лекарств для заживления ран или в качестве средства доставки для заживления ран [4]. В исследовании Н. Кришнан и его коллеги [5] провели биологический синтез наночастиц серебра с использованием фильтрата культуры грамположительных бактерий вида Brevibacillus brevis, получили наночастицы кубической формы и исследовали его in vivo на мышах, страдающих сахарным диабетом, для изучения заживления ран. В результате их экспериментов было обнаружено, что полученные наночастицы ингибируют экспрессию мРНК и белков MMP-2 и MMP-9 в поврежденных гранулоцитах, что приводит к быстрому заживлению ран.

В другом исследовании изучали ранозаживляющую активность в отношении фибробластов линии 3T3 наночастиц серебра сферической формы и диаметром 20 до 50 нм, которые были получены при помощи биологического синтеза с использованием растительного экстракта Peltophorum Pterocarpum. В результате эксперимента по прошествии 48 часов обнаружили увеличение количества фибробластов [6].

Кость – это активная ткань, обладающая способностью к самовосстановлению. Однако эта способность может нарушаться в результате возникновения инфекций в образующихся трещинах или других костных дефектах. Крупные повреждения, возникшие в результате резекции опухоли, генетических пороков развития или тяжелой травмы, можно заменить или восстановить путем имплантации костных трансплантатов. Однако проблема отторжения имплантата является одной из актуальных проблем. Также в результате его применения может возникать инфекция, которые в 50–60% случаев обычно связаны с жизнедеятельностью Staphylococcus spp. Ортопедические инфекции обычно являются причиной разрушения кости и расшатывания имплантата [7]. В данном случае применение наночастиц серебра в сочетании с гидроксиапатитными покрытиями связано с их антибактериальным действием в протезах, имплантатах. В исследовании, проведенном З. Син и др., были изготовлены нановолокнистые каркасы на основе сополимера поли(3-гидроксибутират-со-3-гидроксивалерата) и наночастиц серебра. В результате анализа экспериментальных данных применения изготовленного гибридного нановолокна на остеобластах и фибробластах пришли к выводу, что их можно использовать для их регенерации [8].

Онкология и ее осложнения остается актуальной проблемой современной медицины, что связано с недостаточной эффективностью лечения, побочных эффектов доступных в настоящее время химиотерапевтических агентов и других последствий. В данном случае наночастицы серебра могут быть использованы как для лечения, так и для диагностики. В своем исследовании Х.Л. Трунг и его коллеги [9] сообщили о применении сферических наночастиц серебра, синтезированных биологическим методом с помощью Ganoderma lucidum, для лечения гепатоцеллюлярной карциномы (HepG2) и рака молочной железы (MCF). В результате экспериментов они обнаружили, что полученные наночастицы показывают ингибирующее действие на пролиферацию клеток HepG2 и MCF-7. Также они выяснили, что размер наночастиц, при котором происходит эффективное ингибирование, составляет 10,72 нм. Кроме того, они установили, что при увеличении концентрации от 2 до 128 мкг ·мл-1 процент ингибирования значительно возрастал и достигал пика при концентрации 128  мкг мл-1.

Таким образом, в данной работе был проведен анализ основных областей применения наночастиц серебра в биомедицине. Было показано, что благодаря своим уникальным физико-химическим и биологическим свойствам, они являются объектом множества исследований, которые доказывают эффективное влияние при создании новых биосовместимых материалов и устройств, разработанных для современных терапевтических стратегий. Ярко-выраженные антибактериальные свойства позволяют использовать их для усиления или придания антибактериальных свойств различным материалам для терапии, заживления ран, ортопедических инфекций. Большое количество существующих исследований доказывает перспективное использование новых наноразмерных объектов в биомедицине.

Список литературы:

1. Burdușel A.-C. Biomedical Applications of Silver Nanoparticles: An Up-to-Date Overview / A.-C. Burdușel, O. Gherasim, A.M. Grumezescu // Nanomaterials. –2018. Vol. 8. – P. 681.
2. Ahmad S.A. Bactericidal activity of silver nanoparticles: A mechanistic review / S.A. Ahmad, S.S. Das, A. Khatoon // Materials Science for Energy Technologies. – 2020. Vol. 3. – pp. 756-769.
3. 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 // Journal of Colloid and Interface Science. – 2004. Vol. 275. – pp. 177-182.
4. Hamdan S. Nanotechnology-Driven Therapeutic Interventions in Wound Healing: Potential Uses and Applications / S. Hamdan, I. Pastar, S. Drakulich // ACS Cent Sci. – 2017. Vol. 3. – pp. 163-175.
5. Krishnan N. Effect of biogenic silver nanocubes on matrix metalloproteinases 2 and 9 expressions in hyperglycemic skin injury and its impact in early wound healing in streptozotocin-induced diabetic mice / N. Krishnan, B. Velramar, B. Ramatchandirin // Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. – 2018. Vol. 91. – pp. 146-152.
6. Mohanta Y.K. Phyto-assisted synthesis of bio-functionalised silver nanoparticles and their potential anti-oxidant, anti-microbial and wound healing activities / Y.K. Mohanta, K. Biswas, S.K. Panda // IET Nanobiotechnol. – 2017. Vol. 11. – pp. 1027-1034.
7. Tande A.J. Prosthetic joint infection / A.J. Tande, R. Patel // Clin Microbiol Rev. – 2014. Vol. 27. – P. 302.
8. Xing Z.-C. In Vitro Assessment of Antibacterial Activity and Cytocompatibility of Silver-Containing PHBV Nanofibrous Scaffolds for Tissue Engineering / Z.-C. Xing, W.-P. Chae, J.-Y. Baek // Biomacromolecules. – 2010. Vol. 11.– pp. 1248-1253.
9. Nguyen V.P. Synthesis of Biogenic Silver Nanoparticles with Eco-Friendly Processes Using Ganoderma lucidum Extract and Evaluation of Their Theranostic Applications / V.P. Nguyen, H.L. Trung, T.H. Nguyen // Journal of Nanomaterials. – 2021. Vol. 2021. – P. 6135920.