Ústav makromolekulární chemie AV ČR
banner

Polymerní částice

Naše oddělení se zaměřuje na vývoj různých polymerních částic pravidelného tvaru a velikosti, které jsou využitelné jako multimodální zobrazovací činidla nebo pevné nosiče reagencií. Patří sem povrchově modifikované světlo-konvertující a magnetické nano- a mikročástice s navázanými různými ligandy (např. pro cílení a zachycení cirkulujících nádorových buněk), značkami Alzheimerovy a Parkinsonovy choroby, proteiny, enzymy; částice jsou rovněž vhodné pro separaci toxických kovových iontů a organických molekul z odpadních vod či složitých biologických směsí, jako je krev, plazma nebo mozkomíšní mok. Magnetické částice se stávají nedílnou součástí tzv. laboratoří na čipu pro molekulární in vitro diagnostiku. Světlo-konvertující a magnetická jádra, jako jsou lanthanoidové fluoridy nebo oxidy železa, musí být zapouzdřeny uvnitř polymerního obalu, který brání agregaci, poskytuje biokompatibilitu, potlačuje nespecifické interakce a zavádí požadované funkcionality.

Výzkum

Světlo-konvertující nanočástice

Monodisperzní nanokrystaly na bázi lanthanoidů získávají v současné době značnou pozornost vzhledem k jejich použitelnosti v různých biologických aplikacích díky svým jedinečným luminiscenčním vlastnostem, které lze snadno měnit výběrem vhodných dopantů a jejich koncentrací. Světlo-konvertující nanočástice (UCNP) připravované tepelným rozkladem organických prekurzorů lanthanoidů se vyznačují převáděním nízkoenergetického NIR záření na vysokoenergetické viditelné nebo ultrafialové světlo prostřednictvím anti-Stokesovy emise. Je tak umožněn průnik NIR záření hluboko do tkání v důsledku snížené absorpce světla; kromě toho mají částice nízkou autofluorescenci a málo rozptylují fotony. Ve srovnání s konvenčními fluorescenčními nanomateriály (organická barviva, komplexy kovů atd.) poskytují UCNP i další výhody, jako je vysoká chemická stabilita, úzké emisní linie, absence blikání a blednutí. UCNP nabízejí tedy velké možnosti v různých aplikacích, počínaje fotovoltaikou, fotokatalýzou, bezpečnostními systémy a zobrazovacími technologiemi, až po in vitro a in vivo zobrazování tkání, chirurgii spojenou se zobrazováním, biosenzory, dávkování léčiv a genových vektorů a jejich uvolňování světlem, optogenetiku nebo fotodynamickou terapii nádorů. Nejnovější trend, kterým se na našem oddělení zabýváme, zahrnuje multimodální zobrazování (MRI, fluorescence, SPECT/CT nebo PET) buněk a tkání integrovaných do jednoho systému. Částice však musí být povrchově modifikovány deriváty oxidu křemičitého, peptidy nebo různými polymery obsahujícími bisfosfonátové skupiny, které mají silnou afinitu k povrchu částic.

Monodisperzní hexagonální silikou modifikované nanočástice na bázi lanthanoidů vykazují fluorescenci při 480 nm v mRoGFP HeLa buňkách. 
Nanoscale (2015)

Fotoluminiscence světlo-konvertujících nanočástic a SPECT/CT zobrazení myši po intravenózní aplikaci NaYF4:Yb3+/Er3+@PEG nanočástic značených 125I. 
Nanoscale (2017)

Schematické znázornění pohlcování RGDS- a TAT-konjugovaných světlo-konvertujících NaYF4:Yb3+/Er3+@SiO2 nanočástic buňkami lidského epitelioidního karcinomu děložního čípku.
ACS Appl. Mater. Interfaces (2016)

NaYF4:Yb3+/Er3+@SiO2 nanočástice s konjugovaným ftalocyaninem jsou vhodné pro NIR-iniciovanou fotodynamickou terapii myšího nádorového modelu.
ChemMedChem (2017)

 

Magnetické koloidy

Magnetické koloidy se vyznačují jedinečnými magnetickými vlastnostmi, velkým poměrem povrchu k objemu, malou velikostí (v nanometrech) a schopností fungovat na buněčné úrovni. Díky těmto vlastnostem jsou vhodnými kandidáty pro lékařské aplikace; slouží např. jako kontrastní látky pro zobrazování magnetickou rezonancí, magneticky směrované nosiče léčiv nebo tepelné mediátory v hypertermii. Magneticky značené buňky mohou být transplantovány do poškozených tkání, což umožňuje neinvazivní a dlouhodobé sledování buněk, jejich migrace, proliferace a diferenciace. Magnetické nanomateriály, zejména maghemit (γ-Fe2O3) a magnetit (Fe3O4), připravované v našem oddělení tepelným rozkladem organických prekurzorů nebo srážením kovových solí v přítomnosti báze jsou biokompatibilní a vykazují nízkou toxicitu. Částice lze dobře modifikovat polymery obsahujícími reaktivní funkční skupiny (amino, karboxyl, vinyl a etinyl), cheláty, poly(L-lysinem) nebo makromolekulami připravovanými ATRP či RAFT technikou, léky (doxorubicinem) nebo směrujícími peptidy a zobrazovacími ligandy. Z hlediska aplikací se zaměřujeme zejména na syntézu antibakteriálních, antioxidačních či kancerostatických nanočástic.

Schéma přípravy Fe3O4@SiO2-Ag nanočástic s antibakteriálním účinkem.
Pharm. Res. (2019)

 

Schematické znázornění zachytávání peroxidu vodíku a superoxidových radikálů na antioxidačních γ-Fe2O3/CeOx@PEG nanočásticích v důsledku redoxního posunu Ce3+/Ce4+.
Front. Chem. (2020)

 

Schéma přípravy Fe3O4@SiO2-Ag nanočástic s antibakteriálním účinkem.
ChemPlusChem (2020)

 

Polymerní mikročástice

Polymerní částice (např. z poly(glycidyl- nebo 2-hydroxyethyl-methakrylátu) či celulózy) se v oddělení získávají řadou metod zahrnujících sol-gel techniku, suspenzní, emulzní, miniemulzní polymerizaci, polymerizace využívající „polymerní očka“ nebo vícestupňové botnání. Výhodou posledně jmenované techniky je příprava uniformních polymerních mikročástic (velikost v mikrometrech) se stejnými fyzikálně-chemickými a biologickými vlastnostmi a vysokou reprodukovatelností experimentů. Metoda je vhodná pro přípravu náplní chromatografických kolon i magnetických polymerních mikročástic obsahujících různé funkční skupiny, jako je NH2, COOH, SH, tosyl nebo RGDS peptid. Částice jsou použitelné pro biologické analýzy a umožňují jednoduchou manipulaci pomocí magnetu v průběhu promývání a výměny činidel. Navíc je možné magnetické částice využít v automatizovaných protokolech. Povlečení mikročástic poly(ethylenglykolem), betainy nebo deriváty oxidu křemičitého omezuje nežádoucí nespecifické adsorpce proteinů. Mikročástice se rovněž používají v mikročipech pro diagnostiku cirkulujících nádorových buněk, neurodegenerativních poruch a autoimunitních onemocnění, zachycování DNA, separaci biomolekul, kontrolu kvality potravin atd.

SEM mikrofotografie poly(glycidyl-methakrylátových) mikročástic

Schematické znázornění imobilizace p46/Myo1C antigenu na magnetické amonolyzované poly(glycidyl-methakrylátové) mikročástice a zachycování anti-p46/Myo1C protilátek z krevního séra.
Microchim. Acta (2018)

 

Modifikace amonolyzovaných magnetických poly(glycidyl-methakrylátových) mikročástic dendrimerem, kyselinou 4-pentynovou a „click“ reakce s 125I-N3-RGDS peptidem.
Macromolecules (2017)

 

Princip Ephesia systému. (a) Návrh čipu, (b) spodní část čipu s kotevními body, (c) samouspořádávání magnetických mikročástic v magnetickém poli a (d) imunomagnetické vychytávání cirkulujících nádorových buněk.
Magnetic Nanoheterostructures (2020)

 

Hydrogelové materiály pro tkáňové inženýrství

Syntetické hydrogely jsou vodou nabotnalé sítě sestávající z hydrofilních polymerů, např. poly(ethylenglykolu), poly(vinylalkoholu), poly[N-(2-hydroxypropyl)-methakrylamidu] a poly(2-hydroxyethyl-methakrylátu) (PHEMA). Takovéto hydrogely jsou vhodné pro aplikace v tkáňovém inženýrství, kde interagují s buňkami a podporují jejich adhezi, proliferaci, migraci a diferenciaci. Proto musí být povrch hydrogelu pečlivě upraven, např. adhezivními peptidy, aby se co nejvíce podobaly specifickému buněčnému prostředí. 3-D superporézní hydrogely jsou perspektivní především pro kultivaci kmenových a nervových buněk v tkáňovém inženýrství, regenerativní medicíně a pro obnovování poškozené míchy.

(a) Krystaly šťavelanu amonného a (b) chloridu sodného používané jako porogeny při přípravě superporézních PHEMA hydrogelů s orientovanou porozitou.
Int. J. Mol. Sci. (2018)

 

(a) PHEMA and (b) alginátové hydrogely s orientovanou porozitou.
J. Tissue Eng. Regen. Med. (2013)

 

Příprava reduktivně-degradovatelných hydrogelů na bázi PHEMA. 
ACS Appl. Mater. Interfaces (2017)

 

Spolupráce

  • University of Regensburg, Německo
  • Institute of Condensed Matter Chemistry and Technologies for Energy, National Research Council (CNR), Padova, Itálie
  • Chang Gung University, Taoyuan, Taiwan
  • Wroclaw University of Science and Technology, Polsko
  • Ústav experimentální medicíny AV ČR, Praha
  • Ústav klinické a experimentální medicíny, Praha
  • Centrum pro pokročilé preklinické zobrazování, Univerzita Karlova, Praha
  • Fyziologický ústav AV ČR, Praha
  • Masarykova univerzita, Brno

Financování

  • Grantová agentura České republiky, č. 19-00676S, 20-07015S, 20-02177J, 21-04420S
  • Akademie věd České republiky, CNR-19-16
  • Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy České republiky, INTERAKCE LTAB19011