МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
М. А. Наквасина, В. Г. Артюхов
БИОНАНОТЕХНОЛОГИИ:
ДОСТИЖЕНИЯ, ПРОБЛЕМЫ,
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Учебное пособие
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2015
Стр.1
УДК 60:573.6
ББК 300.600.3:28.0
Н21
Рецензенты:
доктор биологических наук, профессор, декан факультета
биотехнологии и биологии Мордовского государственного
университета имени Н. П. Огарева, заведующий кафедрой
биотехнологии, биоинженерии и биохимии В. В. Ревин
доктор биологических наук, профессор кафедры биофизики
и биотехнологии Воронежского государственного университета
Т. А. Ковалева
Н21
Наквасина М. А.
Бионанотехнологии : достижения, проблемы, перспективы
развития : учеб. пособие / М. А. Наквасина, В. Г. Артюхов
; Воронежский государственный университет. — Воронеж
: Издательский дом ВГУ, 2015. — 152 с.
ISBN 978-5-9273-2249-7
Учебное пособие предназначено для студентов 4 курса биолого-почвенного
факультета, обучающихся по специальности
06.03.1 «Биология», в рамках дисциплин Б2.В.ОД.9 «Основы бионанотехнологии»
и Б3.Б.31. «Введение в биотехнологию». Может
быть полезно для студентов и аспирантов фармацевтических факультетов,
а также студентов химического и физического факультетов
университетов, специализация (профилизация) которых
связана с нанотехнологическими исследованиями.
УДК 60:573.6
ББК 300.600.3:28.0
© Наквасина М. А., Артюхов В. Г., 2015
© Воронежский государственный
университет, 2015
ISBN 978-5-9273-2249-7
© Оформление, оригинал-макет.
Издательский дом ВГУ, 2015
2
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................5
1. НАНОТЕХНОЛОГИИ. БИОНАНОТЕХНОЛОГИИ ............7
1.1. Определения нанотехнологий и их основные
направления ................................................................................7
1.2. Бионанотехнологии ..................................................................16
Контрольные вопросы .....................................................................21
Литература .......................................................................................21
2. БИОНАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ. БИОЧИПЫ .............................................22
2.1. Характеристика молекулярных биочипов .............................22
2.2. Биочипы на основе ДНК ..........................................................28
2.3. Белковые биочипы ...................................................................31
2.4. Другие типы биочипов .............................................................32
2.5. Медицинское использование биочипов .................................32
Контрольные вопросы .....................................................................34
Литература .......................................................................................34
3. ХАРАКТЕРИСТИКА НАНОЧАСТИЦ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ .......................35
3.1. Общая характеристика наночастиц .......................................35
3.2. Основные направления использования наночастиц
в медицине .................................................................................37
3.3. «Функционализация» наночастиц ..........................................40
3.4. Типы наночастиц, применяющихся в медицине ..................42
3.4.1. Классификация наночастиц ..........................................42
3.4.2. Липосомы ..........................................................................42
3.4.2.1. Общая характеристика липосом .................................42
3.4.2.2. Методы получения липосом ........................................45
3.4.2.3. Создание различных типов липосом и их
применение в медицине .....................................................46
3.4.2.4. Механизмы проникновения липосом в клетки ........58
3.4.3. Вирусные наночастицы ..................................................60
3.4.3.1. Преимущества, особенности и «функционализация»
вирусных наночастиц .........................................................60
3.4.3.2. Вирусные наночастицы на основе аденовирусов .....65
3.4.3.3. Вирусные наночастицы на основе парвовирусов .....67
3.4.4. Собственно наночастицы ................................................69
3.4.4.1. Общая характеристика наносфер и нанокапсул ......69
3
Стр.3
3.4.4.2. Нанокапсулы, полученные путем межфазной полимеризации
............................................................................71
3.4.4.3. Нанокапсулы, полученные из готовых полимеров ...74
3.4.4.4. Нанокапсулы, полученные послойной сборкой
разнозаряженных полимеров ............................................76
3.4.5. Дендримеры .....................................................................79
3.4.6. Наночастицы на основе неорганических веществ .......84
3.4.7. Углеродные нанотрубки и фуллерены .........................89
3.4.8. Наноантитела ..................................................................92
3.4.9. Другие типы наночастиц ................................................95
3.5. Пути поступления наночастиц в организм и механизмы
их проникновения в клетки .....................................................97
3.5.1. Пути поступления наночастиц в организм ..................97
3.5.2. Взаимодействие наночастиц с биомолекулами
и механизмы их проникновения в клетки .......................99
3.6. Влияние наночастиц на структурно-функциональное
состояние клеток и их компонентов ......................................102
Контрольные вопросы ...................................................................107
Литература .....................................................................................109
4. СИСТЕМЫ ДОСТАВКИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
В КЛЕТКИ .............................................................................111
4.1. Способы доставки нуклеиновых кислот в клетки ...............111
4.2. Доставка нуклеиновых кислот в клетки-мишени
с использованием вирусных векторов ...................................112
4.3. Нанотранспортные системы доставки нуклеиновых
кислот в клетки-мишени ........................................................116
4.3.1. Липоплексы и липосомы ..............................................116
4.3.2. Векторы на основе белков ............................................120
4.3.3. Углеводные векторы .....................................................121
4.3.4. Другие типы наночастиц для доставки нуклеиновых
кислот в клетки..................................................................122
Контрольные вопросы ...................................................................125
Литература .....................................................................................125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...........................................................................127
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ .............................................................134
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ....................................146
4
Стр.4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время прогресс в развитии науки, техники,
здравоохранения, экологии и других сферах человеческой деятельности
не представляется возможным без внедрения в них
нанотехнологических разработок. Одна из первых задач нанотехнологии
— совершенствование технологий атомно-молекулярного
конструирования и создание на этой основе макроматериалов
для модернизации существующих производств.
Следующая задача — воспроизведение систем живой природы
(создание биоробототехнических систем) на основе соединения
технологических возможностей микроэлектроники с
достижениями в области познания закономерностей функционирования
биологических объектов различного уровня сложности.
Ожидается, что сближение нано-, био- и информационных
технологий, когнитивных наук приведет к возникновению
сложных инновационных гибридных технологий. Внедрение
междисциплинарного и наддисциплинарного подходов
вместо узких специализаций в развитие научных исследований,
их интеграция между собой и с производством требуют
внесения существенных изменений в систему подготовки студентов
естественно-научных специальностей вузов. Отражением
этих тенденций в развитии науки и образования стало
введение в учебный план подготовки бакалавров-биологов в
университетах дисциплины «Основы бионанотехнологии».
Освоение студентами программы данной дисциплины в настоящее
время осложняется вследствие недостатка (малочисленности)
учебных пособий по бионанотехнологии и необходимости
самостоятельного изучения статей во многих периодических
научных изданиях. Настоящее учебное пособие в определенной
степени устраняет проблемы, связанные с изучением
5
Стр.5
основ бионанотехнологии, формированием представлений о
достижениях, проблемах и перспективах ее развития.
В пособии изложены современные представления о нанотехнологиях,
бионанотехнологиях, наномедицине и их основных
перспективных направлениях. Главное внимание уделено
описанию наночастиц и наноматериалов как наиболее
развитому направлению нанотехнологий. Рассмотрены основные
методы характеризации наноструктур и наноматериалов,
особенности наночастиц, обеспечивающие проявление
их свойств, отличных от таковых для макроматериалов и важные
для их биомедицинского применения. Описаны принципы
работы биочипов, их типы и направления практического
использования. Подробно охарактеризованы типы наночастиц,
применяющихся в биомедицинских исследованиях, их
свойства, преимущества и недостатки, особенности «функционализации»,
пути поступления в организм, механизмы проникновения
в клетки и их модифицирующего воздействия на
структурно-функциональное состояние биомолекул, клеток
и внутриклеточных компонентов. Описаны нанотранспортные
системы доставки лекарственных препаратов, средств
диагностики, генетического материала в клетки-мишени,
направления их практического использования и перспективы
применения в биомедицине. Обсуждаются вопросы и проблемы,
связанные с необходимостью осуществления контроля
биоактивности, биобезопасности и токсичности наночастиц по
отношению к биологическим системам различного уровня организации.
В
конце каждого раздела приведены контрольные вопросы
для самостоятельной работы студентов. Учебное пособие
включает словарь терминов, используемых, в том числе, в
биотехнологии и иммунологии и необходимых для изучения
основ бионанотехнологии. В конце пособия представлен список
использованных источников.
Стр.6
44. Тараховский Ю. С. Трансфекция клеток ДНК-липидными
комплексами — липоплексами / Ю. С. Тараховский //
Биохимия. — 2009. — Т. 74, вып. 12. — С. 1589—1602.
45. Тиллиб С. В. «Верблюжьи наноантитела» — эффективный
инструмент для исследований, диагностики и терапии /
С. В. Тиллиб // Молекулярная биология. — 2011. — Т. 45,
№ 1. — С. 77—85.
46. Хлебцов Н. Г. Биораспределение и токсичность золотых
наночастиц / Н. Г. Хлебцов, Л. А. Дыкман // Российские
нанотехнологии. — 2011. — Т. 6, № 1/2. — С. 39—59.
47. Хомутов Г. Б. Биомиметические наносистемы и новые
композитные нанобиоматериалы / Г. Б. Хомутов // Биофизика.
— 2011. — Т. 56, вып. 5. — С. 881—898.
48. Шчарбин Д. Г. Дендримеры в трансфекции генов /
Д. Г. Шчарбин, Б. Клайнерт, М. Брышевска // Биохимия. —
2009. — Т. 74, вып. 10. — С. 1314—1326.
49. Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия / С. Н. Щелкунов
/ Новосибирск : Сибирское университетское изд- во,
2004. — 496 с.
50. Яббаров Н. Г. Мультифункциональные дендритные
молекулы : перспективы применения в медицине и биологии
/ Н. Г. Яббаров, Г. А. Посыпанова, Е. А. Воронцов / Молекулярная
медицина. — 2012, № 6. — С. 37—46.
51. A chemoselective approach for the accelerated synthesis
of well-defi ned dendritic architectures / P. Antoni [et al.] // Chem.
Commun. — 2007. — № 22. — P. 2249—2251.
52. Chen C.-S. Protein microarrays / C.-S. Chen, H. Zhu //
BioTechniqes. — 2006. — V. 40, № 4. — P. 423.
53. Ebbesen M. Nanomedicine : techniques, potentials, and
ethical implications / M. Ebbesen, T. G. Jensen // J. Biomed. Biotechnol.
— 2006. — V. 5. — P. 51516.
54. Hua C. Synthesis and characterization of linear-dendronlike
poly(e-caprolactone)-b-poly(ethylene oxide) copolimers via
the combination of ringopening polymerization and click chemistry
/ C. Hua, S. Peng, C. Dong // Macromolecules. — 2008. —
V. 41, № 18. — P. 6686—6695.
55. Ito A. Medical application of functionalized magnetic
nanoparticles // A. Ito, H. Honda, T. Kobayasi // J. Biosci. Bioeng.
— 2005. — V. 100, № 1. — P. 1—11.
150
Стр.150
56. Microarray technology : an increasing variety of screening
tools for proteomic research / D. Stol [et al.] // Targets. — 2004.
— V. 3, № 1. — P. 24.
57. Sokolova V. Inorganic nanoparticles as carriers of nucleic
acids into cells / V. Sokolova, M. Epple // Angew. Chem. Int.
Ed. — 2008. — V. 47, № 8. — P. 1382—1395.
58. Stoughton R. B. Applications of DNA microarrays in biology
/ R. B. Stoughton // Annu. Rev. Biochem. — 2005. — V. 74.
— P. 53.
59. Walther W. Viral vectors for gene transfer : a review
of their use in the treatment of human diseases / W. Walther,
U. Stein // Drugs. — 2000. — V. 60, № 2. — P. 249—271.
Стр.151
У ч е б н о е и з д а н и е
Наквасина Марина Александровна,
Артюхов Валерий Григорьевич
БИОНАНОТЕХНОЛОГИИ:
ДОСТИЖЕНИЯ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Учебное пособие
Редактор Е. В. Пономарева
Компьютерная верстка К. П. Пенского
Корректор Г. И. Старухина
Подписано в печать 22.10.2015. Формат 60×84/16.
Уч.-изд. л. 8,9. Усл. печ. л. 8,8. Тираж 250. Заказ 458
Издательский дом ВГУ
394000, г. Воронеж, пл. Ленина, 10
Отпечатано в типографии Издательского дома ВГУ
394000, г. Воронеж, ул. Пушкинская, 3
Стр.152