Физики МГУ смоделировали эндоцитоз чувствительных наногелей
Ученые кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ исследовали режимы взаимодействия стимул-чувствительных наногелей с липидной мембраной, методом компьютерного моделирования. Моделируемые наногели могут быть использованы для адресной доставки лекарств и не вызывать токсическую реакцию организма. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.
Результаты работы опубликованы в журнале Q1 Macromolecular Rapid Communications.
Особенное свойство стимул-чувствительных наногелей заключается в изменении их размеров в зависимости от внешних воздействий, таких как температура или pH среды. Основным фокусом исследования было изучение взаимодействия таких мягких частиц с липидной мембраной, являющейся основой клеточных стенок. Ученые предположили, что при изменении внешних условий параметры взаимодействия наногеля с липидным бислоем остаются неизменными, а изменяется лишь степень набухания наногеля. Последний параметр непосредственно влиял на модуль упругости сетчатых частиц: чем меньше степень набухания, тем менее деформируемым являлся наногель. Также варьировалась и плотность сшивки полимерной сетки, которая определялась долей сшивающего агента в ее составе. Таким образом, значение модуля упругости изменялось от нескольких десятков до нескольких сотен кПа. Кроме того, варьировался молекулярный вес наногеля и сила адгезии, то есть степень сродства между звеньями, формирующими наногель, и гидрофильными «головами» липидного бислоя.
В результате моделирования было установлено, что из исходного набухшего состояния можно получить различные равновесные формы наногеля на мембране в зависимости от силы адгезии и плотности сшивки. А именно, наногель мог адсорбироваться на мембрану как твердая наночастица (режим коллоидной адгезии) или, напротив, подобно полимерным цепям, претерпевать сильные деформации и уплощаться. При этом коллапс наногеля (уменьшение степени набухания с одновременным увеличением степени гидрофобности частицы) в ряде случаев приводил к полному поглощению мембраной (эндоцитозу).
«Важным результатом работы стало выявление того, что по мере ухудшения качества растворителя тренд поглощения наногелями меняется в зависимости от плотности их сшивки. Например, в случае среднесшитого наногеля скорость поглощения может увеличиваться, в то время как у более плотного геля она, наоборот, будет уменьшаться. Это наблюдение отличается от случая твердых наночастиц (оксида железа или золота), где скорость поглощения всегда возрастает с увеличением их степени гидрофобности. В то же время, обнаруженное изменение тренда хорошо коррелирует с ранее полученными данными по поглощению стимул-чувствительных гелей реальными клетками in vitro», — рассказал старший научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов Рустам Гумеров.
Таким образом, исследование не только подтвердило экспериментальные результаты, но и выявило несколько режимов поведения наногелей на мембране в процессе их коллапса.
Использованный метод мезоскопического компьютерного моделирования с явным растворителем позволил исследовать, насколько много жидкости остается внутри клетки в различных режимах взаимодействия, что критично для оценки возможной нагрузки наногеля молекулами лекарств, доставляемых во внутриклеточное пространство. При этом время моделирования одной системы наногель-мембраны доходило до трех миллисекунд, что на молекулярном масштабе является значительным, а размер частиц был близок к реальному (несколько десятков нанометров), что потребовало значительное количество вычислительных ресурсов. Это оказалось возможным благодаря использованию оборудования Центра коллективного пользования сверхвысокопроизводительными вычислительными ресурсами МГУ имени М.В. Ломоносова.