Ученые из Сколтеха провели систематический обзор публикаций о биомедицинском применении углеродных нанотрубок на моделях in vitro и предположили, какие параметры производства делают их безопасными для живых организмов. Для этого исследователи выделили около двухсот публикаций за последние двадцать лет и провели статистический анализ результатов. Наименее токсичными для живых клеток оказались углеродные нанотрубки, использованные в виде подложки, что позволяет применить их как основу для носимой, текстильной и имплантируемой электроники.
Углеродные нанотрубки (УНТ) — многообещающий материал для биомедицинских применений: тканевой инженерии и регенерации, таргетной доставки лекарств, селективного уничтожения раковых клеток, биовизуализации и многих других задач. Это возможно благодаря уникальному сочетанию наноразмеров и исключительных механических, оптических и электрических характеристик. Более 20 лет назад нанотрубки впервые удалось успешно соединить с одной из самых чувствительных биологических систем — нервными клетками. Данное исследование послужило отправной точкой для последующих поисков. Однако дальнейшие результаты были противоречивыми: одни работы показывали только положительные эффекты, другие указывали на токсичность материала.
“В результате сложилась парадоксальная ситуация: проведено множество экспериментов по изучению токсичности УНТ, но конкретные дозы, вызывающие токсические эффекты, до сих пор неясны, данные о биологических эффектах сильно различаются. Поэтому мы решили собрать результаты из большого количества работ и систематизировать основные параметры, влияющие на токсичность”, — рассказывает аспирантка Сколтеха Маргарита Четыркина.
В представленном обзоре ученые сосредоточились только на статьях, посвященных анализу токсичности УНТ для клеток человека и других млекопитающих и отобрали 194 публикации по теме для анализа. Чтобы систематизировать результаты, полученные в этих работах, исследователи ввели дополнительные категории для сравнения: тип клеток, использованный тест на токсичность, время инкубации, способ контакта нанотрубок с живой системой, геометрия. На основе этих данных ученые провели статистический анализ, который позволил сделать ряд нескольких важных выводов
Исследователи обнаружили, что УНТ, нанесенные на подложку, безопасны для клеток: в 90% исследований клетки человека и млекопитающих, выращенные на УНТ, выживали и чувствовали себя не хуже, чем в контрольной группе. Данный факт позволяет смело заключить, что УНТ можно безопасно использовать при создании носимой и текстильной электроники, имплантов для мышечной и нервной ткани.
В случае тестирования нанотрубок в виде суспензии, результаты менее однозначные, и больший вклад вносят доза, время инкубации, различные протоколы приготовления суспензии. Однако ряд работ показал, что при соблюдении определенных условий, УНТ в растворенном виде подходят для использования в таргетной доставке лекарств, химиотерапии, биосенсорных исследований и тканевой инженерии. Однако требуются дальнейшие исследования, чтобы точно понять механизм взаимодействия материала с живыми системами.
“Мы надеемся, что наш обзор позволит другим ученым разобраться в области исследований токсичности и биологического применения нанотрубок и поможет в планировании экспериментов. Например, при выборе подходящего для эксперимента типа нанотрубок, типа клеток или соответствующего теста на цитотоксичность”, — заключают авторы обзора.
Один из многообещающих проектов лаборатории наноматериалов Альберта Насибулина в Центре фотоники и инженерной физики Сколтеха — разработка микроматериала на основе углеродных нанотрубок — так называемых файберов. Эти гибкие токопроводящие микроволокна исследователи уже опробовали для отслеживания биения сердца, расположив специальное устройство на запястье, а в будущем планируют создать биосовместимые электроды и регистрировать электрическую активность нейронов и мышечных клеток. Однако, для этого нужно было ответить на вопрос: «Так ли страшен чёрт, как его малюют» — то есть разобраться с токсичностью нанотрубок, что ученые из лаборатории наноматериалов Сколтеха и попытались осветить в своем недавнем обзоре.