Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 55000 10.29039/rusjbpc.2022.0501 Общая биофизика General biophysics Общая биофизика EFFECT OF COBALT FERRITE MAGNETIC NANOPARTICLES IN HYDROPHILIC COATING ON THE CONDUCTIVITY OF BILAYER LIPID MEMBRANES Влияние наночастиц феррита кобальта в гидрофильной оболочке на проводимость бислойных липидных мембран Борисова Е. Д. Borisova E. D. Кожемова Б. Э. Kozhemova B. E. Константинов О. О. Konstantinov O. O. Корепанова Е. А. Korepanova E. A. Михеев В. М. Mikheev V. M. Михнич А. В. Mikhnich A. V. Сухова В. И. Sukhova V. I. Астанина П. Н. Astanina P. N. Коплак О. В. Koplak O. V. Аносов А. А. Anosov A. A. anosov.aa@1msmu.ru Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова I.M. Sechenov First Moscow State Medical University Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Москва Россия I.M. Sechenov First Moscow State Medical University Moscow Russian Federation Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) Москва Россия I.M. Sechenov First Moscow State Medical University Moscow Russian Federation Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН Москва Россия Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS Moscow Russian Federation 25 06 2022 25 06 2022 7 2 185 193 20 06 2022 20 06 2022 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/55000/view

Магнитные наночастицы широко используются в медицинских приложениях, например, как контрастные вещества для магнитно-резонансной томографии, для усиления гипертермии, для адресной доставки лекарств, тераностики (терапия + диагностика). При использовании магнитных наночастиц in vivo им требуется специальное покрытие, способствующее биосовместимости и минимизирующее потенциальную токсичность в физиологических условиях. В качестве покрытия может быть использован сывороточный альбумин человека или полиэтиленгликоль. В этой работе исследованы взаимодействия кубических магнитных наночастиц феррита кобальта размером 12 и 27 нм с дифитаноилфосфатидилхолиновыми бислойными липидными мембранами. Проводимость мембран менялась в широких пределах – можно выделить две группы мембран: мембраны, проводимость которых (после добавления наночастиц) по сравнению с контролем практически не менялась, и мембраны, проводимость которых при добавлении наночастиц менялась скачком и увеличивалась в широком диапазоне на 0,5-2 порядка. Значимых различий между проводимостями при добавлении одинакового объема наночастиц размером 12 и 27 нм, окруженных сывороточным альбумином человека, не обнаружено. При добавлении наночастиц с оболочкой из полиэтиленгликоля проводимость увеличивалась значительно слабее, чем при добавлении наночастиц с оболочкой из сывороточного альбумина человека. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что магнитные наночастицы с гидрофильным покрытием взаимодействуют с мембранами, что может приводить к появлению метастабильных проводящих пор, которые, в свою очередь, увеличивают интегральную проводимость мембран.

Magnetic nanoparticles are widely used in medical applications, for example, as contrast agents for magnetic resonance imaging, to enhance hyperthermia, for targeted drug delivery, theranostics (therapy + diagnostics). When used in vivo, magnetic nanoparticles require a special coating that promotes biocompatibility and minimizes potential toxicity under physiological conditions. Human serum albumin or polyethylene glycol can be used as a coating. In this work, the interactions of magnetic cobalt ferrite nanoparticles (12 and 27 nm size) with diphitanoylphosphatidylcholine bilayer lipid membranes were investigated. The conductivity of membranes varied over a wide range – two groups of membranes can be distinguished – membranes, the conductivity of which (after the addition of nanoparticles) remained practically unchanged compared to the control, and membranes, the conductivity of which, upon the addition of nanoparticles, changed abruptly and increased in a wide range by 0.5–2 orders of magnitude. Significant differences between the conductivities upon the addition of the same volume of 12 and 27 nm nanoparticles surrounded by human serum albumin were not found. When adding nanoparticles with a coating of polyethylene glycol, the conductivity increased much weaker than when adding nanoparticles with a coating of human serum albumin. The results suggest that hydrophilic coated magnetic nanoparticles interact with the membranes, which can lead to the appearance of metastable conducting pores, which, in turn, increase the integral conductivity of the membranes.

 бислойные липидные мембраны магнитные наночастицы электрическая проводимость липидные поры bilayer lipid membranes magnetic nanoparticles electrical conductivity lipid pores

Chubarov A.S. Serum Albumin for Magnetic Nanoparticles Coating. Magnetochemistry, 2022, vol. 8, no. 13. Chubarov A.S. Serum Albumin for Magnetic Nanoparticles Coating. Magnetochemistry, 2022, vol. 8, no. 13. Гуляев Ю.В., Черепенин В.А., Вдовин В.А., Таранов И.В., Ярославов А.А., Ким В.П., Хомутов Г.Б. Дистанционная декапсуляция нанокомпозитных липосом, содержащих внедренные проводящие наночастицы, при воздействии импульсного электрического поля. Радиотехника и электроника, 2015, т. 60, № 10, с. 1051-1051. Gulyaev Y.V., Cherepenin V.A., Vdovin V.A., Taranov I.V., Yaroslavov A.A., Kim V.P., Khomutov G.B., Pulsed electric field-induced remote decapsulation of nanocomposite liposomes with implanted conducting nanoparticles. Journal of Communications Technology and Electronics, 2015, vol. 60, no. 10, pp. 1097-1108. (In Russ.) Kislov V., Medvedev B., Gulyaev Y., Taranov I., Kashin V., Khomutov G., Artemiev M., Gurevich S. Organized superstructures at nanoscale and new functional nanomaterials. International Journal of Nanoscience, 2007, vol. 6, no. 5, pp. 373-377. Kislov V., Medvedev B., Gulyaev Y., Taranov I., Kashin V., Khomutov G., Artemiev M., Gurevich S. Organized superstructures at nanoscale and new functional nanomaterials. International Journal of Nanoscience, 2007, vol. 6, no. 5, pp. 373-377. Brahmbhatt K., Zhao W., Deng Zh., Mao L., Freeman E. Magnetically responsive droplet interface bilayer networks. Proceedings of the ASME 2015. Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems SMASIS2015, September 21-23, 2015. Brahmbhatt K., Zhao W., Deng Zh., Mao L., Freeman E. Magnetically responsive droplet interface bilayer networks. Proceedings of the ASME 2015. Conference on Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems SMASIS2015, September 21-23, 2015. Аносов А.А., Корепанова Е.А., Коплак О.В., Казаманов В.А., Дерунец А.С., Моргунов Р.Б. Рост электрической проводимости и появление липидных пор под действием магнитных наночастиц CoFe2O4 в бислойной липидной мембране. Электрохимия, 2022, т. 58, c. 179-187. Anosov A.A., Korepanova E.A., Koplak O.V., Kazamanov V.A., Derunets A.S., Morgunov R.B. The Increase in Electrical Conductivity and the Appearance of Lipid Pores Induced by Magnetic Nanoparticles CoFe2O4 in Bilayer Lipid Membranes. Russian Journal of Electrochemistry, 2022, vol. 58, no. 4, pp. 321-328. (In Russ.) Lehtonen J.Y.A., Kinnunen P.K.J. Changes in the lipid dynamic of liposomal membranes induced by poly(ethylene glycol): free volume alterations revealed by inter- and intramolecular excimer forming phospholipid analogs. Biophys. J., 1994, vol. 66, pp. 1981-1990. Lehtonen J.Y.A., Kinnunen P.K.J. Changes in the lipid dynamic of liposomal membranes induced by poly(ethylene glycol): free volume alterations revealed by inter- and intramolecular excimer forming phospholipid analogs. Biophys. J., 1994, vol. 66, pp. 1981-1990. Антонов В.Ф., Смирнова Е.Ю., Аносов А.А., Норик В.П., Немченко О.Ю. «Блокирование» полиэтиленгликолем одиночных липидных пор, возникающих в немодифицированных бислойных липидных мембранах при фазовых переходах. Биофизика, 2008, т. 53, № 5, с. 802-809. . Antonov V.F., Smirnova E.Y., Anosov A.A., Norik V.P., Nemchenko O.Y. PEG blocking of single pores arising on phase transitions in unmodified lipid bilayers. Biophysics, 2008, vol. 53, pp. 390-395. (In Russ.) Аносов А.А., Шаракшанэ А.А., Смирнова Е.Ю., Немченко О.Ю. Проницаемость бислоя при фазовом переходе как поток Эрланга гидрофильных пор, возникающих в результате диффузии в пространстве радиусов. Биологические мембраны, 2016, т. 33, № 6, с. 387-397. Anosov A.A., Sharakshane A.A., Smirnova E.Y., Nemchenko O.Y. Bilayer permeability during phase transition as an Erlang flow of hydrophilic pores resulting from diffusion in the radius space. Biochem. Moscow Suppl. Ser. A., 2017, vol. 11, pp. 8-16. (In Russ.) Velikonja A., Kramar P., Miklavcic D., Lebar A.M. Specific electrical capacitance and voltage breakdown as a function of temperature for different planar lipid bilayers. Bioelectrochemistry, 2016, vol. 112, pp. 132-137. Velikonja A., Kramar P., Miklavcic D., Lebar A.M. Specific electrical capacitance and voltage breakdown as a function of temperature for different planar lipid bilayers. Bioelectrochemistry, 2016, vol. 112, pp. 132-137. Glaser R.W., Leikin S.L., Chernomordik L.V., Pastushenko V.F., Sokirko A.V. Reversible electrical breakdown of lipid bilayers: formation and evolution of pores. Biochim. Biophys. Acta, 1988, vol. 940, pp. 275-287. Glaser R.W., Leikin S.L., Chernomordik L.V., Pastushenko V.F., Sokirko A.V. Reversible electrical breakdown of lipid bilayers: formation and evolution of pores. Biochim. Biophys. Acta, 1988, vol. 940, pp. 275-287. Mohanta D., Stava E., Yu M., Blick R.H. Creation and regulation of ion channels across reconstituted phospholipid bilayers generated by streptavidin-linked magnetite nanoparticles. Physical review E, 2014, vol. 89, 012707. Mohanta D., Stava E., Yu M., Blick R.H. Creation and regulation of ion channels across reconstituted phospholipid bilayers generated by streptavidin-linked magnetite nanoparticles. Physical review E, 2014, vol. 89, 012707.