Changes of the structure and permeability of lipid membranes caused by nanoparticles and pulsed electromagnetic effects

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The work is devoted to the development of effective and safe biocompatible means and methods of encapsulation, targeted delivery and controlled release of drugs in aqueous environments, including living systems. For encapsulation of medicinal compounds in colloidal carriers, originally created nanostructured biomimetic lipid membrane vesicles were used - nanocomposite liposomes, the membranes of which are functionalized with magnetite and gold nanoparticles. To solve the problem of safe controlled release of an encapsulated substance into aqueous media, an approach has been developed based on the use of powerful ultrashort electrical pulses with a duration of less than 10 ns, providing a non-thermal effect of selective controlled electroporation of nanocomposite lipid membranes containing conductive nanoparticles. A theoretical model of non-thermal interaction of nanostructured liposomal capsules with ultrashort electrical pulses has been developed, within the framework of which an expression has been obtained for the critical value of the electric field strength that determines the threshold for the occurrence of the electroporation effect in a conducting aqueous medium. The key role of electrically conductive nanoparticles in increasing the sensitivity of the structure and conductivity of nanocomposite liposomes to external ultrashort electric sunlight is shown. The theoretically described mechanism of change in the structure and conductivity of lipid membranes containing electrically conductive nanoparticles explains the selective controlled nature of ultrashort pulse action on nanocomposite liposomal containers. The effect of controlled selective change in permeability and decapsulation of nanocomposite liposomes was registered by fluorimetry methods in experiments with the anticancer antibiotic doxorubicin and the fluorescent dye carboxyfluorescein, which were loaded into liposomal carriers as model molecular compounds. Encapsulated substances were released from nanocomposite liposomes after exposure to ultrashort electrical pulses with an efficiency of up to 98%, while no significant changes in the structural and functional state of natural and pure lipid membranes were recorded. The data on changes in membrane permeability correlated well with the results on structural changes in nanocomposite liposomes recorded by transmission electron microscopy and atomic force microscopy.  

About the authors

Yuri Vasilyevich Gulyaev

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0003-4401-9275
SPIN-code: 4551-7881
Scopus Author ID: 6506902303
ResearcherId: P-1511-2018
Mokhovaya 11-7, Moscow, 125009, Russia

Vladimir Alekseevich Cherepenin

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0009-0004-2299-5552
SPIN-code: 3070-3020
Scopus Author ID: 7006376914
ResearcherId: AAO-6110-2021
Mokhovaya 11-7, Moscow, 125009, Russia

Igor Vladimirovich Taranov

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0002-3732-213X
SPIN-code: 3532-1812
Scopus Author ID: 6701721578
ResearcherId: P-1148-2018
Mokhovaya 11-7, Moscow, 125009, Russia

Vladimir Aleksandrovich Vdovin

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0002-2486-751X
Scopus Author ID: 7004583521
ResearcherId: F-9224-2017
Mokhovaya 11-7, Moscow, 125009, Russia

Alexander Anatolyevich Yaroslavov

Lomonosov Moscow State University

SPIN-code: 6894-4978
GSP-1, Leninskie Gory, Moscow, Russian Federation

Igor Dmitrievich Kravtsov

Fryazino Branch of Kotel`nikov Institute of Radiophysics and Electronics of Russian Academy of Sciences

Pl. Vvedenskogo 1, Zryazino, Moscow Region, 141190, Russia

Ilya Valentinovich Grigoryan

Lomonosov Moscow State University; Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0009-0001-0576-7599
GSP-1, Leninskie Gory, Moscow, Russian Federation

Yury Alexeevich Koksharov

Lomonosov Moscow State University

ORCID iD: 0000-0001-9266-0089
SPIN-code: 2020-0486
Scopus Author ID: 6701530332
ResearcherId: P9640-2015
GSP-1, Leninskie Gory, Moscow, Russian Federation

Gennadii Borisovich Khomutov

Lomonosov Moscow State University

ORCID iD: 0000-0002-7639-5171
SPIN-code: 9393-0967
Scopus Author ID: 07005741389
ResearcherId: I-3943-2012
GSP-1, Leninskie Gory, Moscow, Russian Federation

References

  1. Tewabe A., Abate A., Tamrie M., Seyfu A., Abdela Siraj E. Targeted drug delivery — from magic bullet to nanomedicine: Principles, challenges, and future perspectives // J. Multidiscip. Healthc. 2021. Vol. 14. P. 1711–1724. doi: 10.2147/JMDH.S313968.
  2. Vargason A. M., Anselmo A. C., Mitragotri S. The evolution of commercial drug delivery technologies // Nat. Biomed. Eng. 2021. Vol. 5, no. 9. P. 951–967. doi: 10.1038/s41551- 021-00698-w.
  3. Ezikea T. C., Okpalaa U. S., Lovet O. U., Nwikea C. P., Ezeakoa E. C., Okparaa O. J., Okoroafora C. C., Ezec S. C., Kaluc O. L., Odohd E. C., Nwadikea U. G., Ogbodoa J. O., Umehb B. U., Ossaia E. C., Nwanguma B. C. Advances in drug delivery systems, challenges and future directions // Heliyon. 2023. Vol. 9, no. 6. P. e17488. doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e17488.
  4. Tiwari G., Tiwari R., Sriwastaw B., Bhati L., Pandey S., Pandey P., Bannerjee S. K. Drug delivery systems: An updated review // Int. J. Pharm. Investig. 2012. Vol. 2, iss. 1. P. 2–11. doi: 10.4103/2230-973X.96920.
  5. Bhagwat R. R., Vaidhya I. S. Novel drug delivery systems: an overview // Int. J. Pharm. Sci. Res. 2013. Vol. 4, no. 3. P. 970–982. doi: 10.13040/IJPSR.0975-8232.4(3).970-82.
  6. Muller-Goymann C. C. Physicochemical characterization of colloidal drug delivery systems such as reverse micelles, vesicles, liquid crystals and nanoparticles for topical administration // Eur. J. Pharm. Biopharm. 2004. Vol. 58, no. 2. P. 343–356. doi: 10.1016/j.ejpb.2004.03.028.
  7. Maximchik P. V., Tamarov K., Sheval E. V., Tolstik E., Kirchberger-Tolstik T., Yang, Z., Sivakov V., Zhivotovsky B., Osminkina L. A. Biodegradable porous silicon nanocontainers as an effective drug carrier for regulation of the tumor cell death pathways // ACS Biomater. Sci. Eng. 2019. Vol. 5, no. 11. P. 6063–6071. doi: 10.1021/acsbiomaterials.9b01292.
  8. Khurana S., Jain N. K., Bedi P. M. S. Development and characterization of a novel controlled release drug delivery system based on nanostructured lipid carriers gel for meloxicam // Life Sci. 2013. Vol. 93, no. 21. P. 763–772. doi: 10.1016/j.lfs.2013.09.027.
  9. Xiong W., Li L., Wang Y., Yu Y., Wang S., Gao Y., Liang Y., Zhang G., Pan W., Yang X. Design and evaluation of a novel potential carrier for a hydrophilic antitumor drug: Auricularia auricular polysaccharide-chitosan nanoparticles as a delivery system for doxorubicin hydrochloride // Int. J. Pharm. 2016. Vol. 511, no. 1. P. 267–275. doi: 10.1016/j.ijpharm.2016.07.026.
  10. Sessa G., Weissmann G. Phospholipid spherules (liposomes) as a model for biological membranes // J. Lipid Res. 1968. Vol. 9, no. 3. P. 310–318. doi: 10.1016/S0022-2275(20)43097-4.
  11. Lasic D. D. Liposomes: From Physics to Applications. Amsterdam: Elsevier, 1993. 580 p.
  12. Torchilin V., Weissig V.(eds.) Liposomes: A Practical Approach. Oxford: Oxford University Press, 2003. 396 p.
  13. Schwendener R. A. Liposomes in biology and medicine // In: Chan W. C. W. (ed) Bio-Applications of Nanoparticles. Advances in Experimental Medicine and Biology. Vol. 620. NY: Springer, 2007. P. 117–128. doi: 10.1007/978-0-387-76713-0_9.
  14. Liu P., Chen G., Zhang J. A review of liposomes as a drug delivery system: current status of approved products, regulatory environments, and future perspectives // Molecules. 2022. Vol. 27, no. 4. P. 1372. doi: 10.3390/molecules27041372.
  15. Кокшаров Ю. A., Губин С. П., Таранов И. В., Хомутов Г. Б., Гуляев Ю. В. Магнитные наночастицы в медицине: успехи, проблемы, достижения // Радиотехника и электроника. 2022. Т. 67, № 2. С. 99–116. doi: 10.31857/S0033849422020073.
  16. Veiseh O., Gunn J. W., Zhang M. Design and fabrication of magnetic nanoparticles for targeted drug delivery and imaging // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2010. Vol. 62, no. 3. P. 284–304. DOI: 10.1016/ j.addr.2009.11.002.
  17. Neuberger T., Schopf B., Hofmann H., Hofmann M., Von Rechenberg B. Superparamagnetic nanoparticles for biomedical applications: Possibilities and limitations of a new drug delivery system // J. Magn. Magn. Mater. 2005. Vol. 293, no. 1. P. 483–496. doi: 10.1016/j.jmmm. 2005.01.064.
  18. Nasongkla N., Bey E., Ren J., Ai H., Khemtong C., Guthi J. S., Chin S.-F., Sherry A. D., Boothman D. A., Gao J. Multifunctional polymeric micelles as cancer-targeted. Nano Lett. 2006;6(11):2427–2430. doi: 10.1021/nl061412u.
  19. Berezin M. Y. (Ed.) Nanotechnology for Biomedical Imaging and Diagnostics: From Nanoparticle Design to Clinical Applications. New York: Wiley, 2015. 520 p. doi: 10.1002/9781118873151.
  20. Губин С. П., Кокшаров Ю. А., Хомутов Г. Б., Юрков Г. Ю. Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства // Усп. хим. 2005. Т. 74, № 6. P. 539–574. DOI: 10.1070/ RC2005v074n06ABEH000897.
  21. Amstad E., Textor M., Reimhult E. Stabilization and functionalization of iron oxide nanoparticles for biomedical applications // Nanoscale. 2011. Vol. 3, no. 7. P. 2819–2843. DOI: 10.1039/ C1NR10173K.
  22. Gupta A. K., Gupta M. Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications // Biomaterials. 2005. Vol. 26, no. 18. P. 3995–4021. doi: 10.1016/j.biomaterials. 2004.10.012.
  23. Berry C. C., Curtis A. S. Functionalisation of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. Vol. 36, no. 13. P. R198–R206. DOI: 10.1088/ 0022-3727/36/13/203.
  24. Akbarzadeh A., Samiei M., Davaran S. Magnetic nanoparticles: preparation, physical properties, and applications in biomedicine // Nanoscale Res. Lett. 2012. Vol. 7. P. 144. doi: 10.1186/1556- 276X-7-144.
  25. Huang Y., Hsu J. C., Koo H., Cormode D. P. Repurposing ferumoxytol: Diagnostic and therapeutic applications of an FDA-approved nanoparticle // Theranostics. 2022. Vol. 12, no. 2. P. 796–816. doi: 10.7150/thno.67375.
  26. Amstad E., Kohlbrecher J., Muller E., Schweizer T., Textor M., Reimhult E. Triggered release from liposomes through magnetic actuation of iron oxide nanoparticle containing membranes // Nano Lett. 2011. Vol. 11, no. 4. P. 1664–1670. doi: 10.1021/nl2001499.
  27. Vlasova K. Y., Piroyan A., Le-Deygen I. M., Vishwasrao H. M., Ramsey J. D., Klyachko N. L., Golovin Y. I., Rudakovskaya P. G., Kireev I. I., Kabanov A. V., Sokolsky-Papkov M. Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications Magnetic liposome design for drug release systems responsive to super-low frequency alternating current magnetic field (AC MF) // J. Colloid Interface Sci. 2019. Vol. 552. P. 689–700. doi: 10.1016/j.jcis.2019.05.071.
  28. Khomutov G. B., Kim V. P., Koksharov Yu. A., Potapenkov K. V., Parshintsev A. A., Soldatov E. S., Usmanov N. N., Saletsky A. M., Sybachin A. V., Yaroslavov A. A., Taranov I. V., Cherepenin V. A., Gulyaev Y.V. Nanocomposite biomimetic vesicles based on interfacial complexes of polyelectrolytes and colloid magnetic nanoparticles // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2017. Vol. 532. P. 26–35. doi: 10.1016/j.colsurfa.2017.07.035.
  29. Nguyen T. T. Gold nanoparticles for targeting of biomedical applications: A review // Asian Journal of Chemistry. 2024. Vol. 36, no. 8. P. 1741–1746. doi: 10.14233/ajchem.2024.31729.
  30. Dreaden E. C., Alkilany A. M., Huang X., Murphy C. J., El-Sayed M. A. The golden age: gold nanoparticles for biomedicine // Chem. Soc. Rev. 2012. Vol. 41, no. 7. P. 2740–2779. DOI: 10.1039/ C1CS15237H.
  31. Kumalasari M. R., Alfanaa R., Andreani A. S. Gold nanoparticles (AuNPs): A versatile material for biosensor application // Talanta Open. 2024. Vol. 9. P. 100327. doi: 10.1016/j.talo.2024.100327.
  32. Ferrari E. Gold nanoparticle-based plasmonic biosensors // Biosensors. 2023. Vol. 13, no. 3. P. 411. doi: 10.3390/bios13030411.
  33. Goddard Z. R., Beekman A. M., Cominetti M. M. D., O’Connell M. A., Chambrier I., Cook M. J., Marn M. J., Russell D. A., Searcey M. Peptide directed phthalocyanine–gold nanoparticles for selective photodynamic therapy of EGFR overexpressing cancers // RSC Med. Chem. 2021. Vol. 12, no. 2. P. 288–292. doi: 10.1039/D0MD00284D.
  34. Kolesnikova T. A., Gorin D. A., Fernandes P., Kessel S., Khomutov G. B., Fery A., Shchukin D. G., Mohwald H. Nanocomposite microcontainers with high ultrasound sensitivity // Adv. Funct. Mater. 2010. Vol. 20, no. 7. P. 1189–1195. doi: 10.1002/adfm.200902233.
  35. Novoselova M. V., German S. V., Abakumova T. O., Perevoschikov S. V., Sergeeva O. V., Nesterchuk M. V., Efimova O. I., Petrov K. S., Chernyshev V. S., Zatsepin T. S., Gorin D. A. Multifunctional nanostructured drug delivery carriers for cancer therapy: Multimodal imaging and ultrasoundinduced drug release // Colloids Surf B Biointerfaces. 2021. Vol. 200. P. 111576. DOI: 10.1016/ j.colsurfb.2021.111576.
  36. De Vry J., Martnez-Martnez P., Losen M., Temel Y., Steckler T., Steinbusch H. W., De Baets M. H., Prickaerts J. In vivo electroporation of the central nervous system: a non-viral approach for targeted gene delivery // Prog. Neurobiol. 2010. Vol. 92, no. 3. P. 227–244. DOI: 10.1016/ j.pneurobio.2010.10.001.
  37. Zhang N., Li Z., Han X., Zhu Z., Li Z., Zhao Y., Liu Z., Lv Y. Irreversible electroporation: An emerging immunomodulatory therapy on solid tumors // Front. Immunol. 2022. Vol. 12. P. 811726. doi: 10.3389/fimmu.2021.811726.
  38. Massart R. Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media // IEEE Transactions on Magnetics. 1981. Vol. 17, no. 2. P. 1247–1248. doi: 10.1109/TMAG.1981.1061188.
  39. Гуляев Ю. В., Черепенин В. A., Таранов И. В., Вдовин В. A., Хомутов Г. Б. Воздействие ультракоротких электрических импульсов на нанокомпозитные липосомы в водной среде // Радиотехника и электроника. 2020. T. 65, № 2. C. 189–196. doi: 10.31857/S0033849420020096.
  40. Гуляев Ю. В., Черепенин В. A., Вдовин В. A., Таранов И. В., Ярославов A. A., 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. 1051–1063. doi: 10.7868/S0033849415100034.
  41. Гуляев Ю. В., Черепенин В. A., Таранов И. В., Вдовин В. A., Хомутов Г. Б. Активация нанокомпозитных липосомальных капсул в проводящей водной среде ультракоротким электрическим воздействием // Радиотехника и электроника. 2021. Т. 66, № 1. С. 82–90. doi: 10.31857/S0033849421010022.
  42. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 8. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2005. 656 с.
  43. Schwan H. P. Biophysics of the interaction of electromagnetic energy with cells and membranes // In: Grandolfo M., Michaelson S. M., Rindi A. (eds) Biological Effects and Dosimetry of Nonionizing Radiation. NATO Advanced Study Institutes Series. Vol. 49. Boston: Springer, 1983. P. 213–231. doi: 10.1007/978-1-4684-4253-3_9.
  44. Овчинников Ю. A. Биоорганическая химия. M.: Просвещение, 1987. 815 с.
  45. Ким В. П., Ермаков А. В., Глуховской Е. Г., Рахнянская А. А., Гуляев Ю. В., Черепенин В. А., Таранов И. В., Кормакова П. А., Потапенков К. В., Усманов Н. Н., Салецкий А. М., Кокшаров Ю. А., Хомутов Г. Б. Планарные наносистемы на основе комплексов амфифильного полиамина, наночастиц магнетита и молекул ДНК // Российские нанотехнологии. 2014. Т. 9, № 5–6. С. 47–52.
  46. Гуляев Ю. В., Черепенин В. А., Таранов И. В., Вдовин В. A., Ярославов A. A., Ким В. П., Хомутов Г. Б. Дистанционная декапсуляция нанокомпозитных липосомальных капсул, содержащих золотые наностержни, ультракороткими электрическими импульсами // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61, № 1. С. 61–65. doi: 10.7868/S0033849415120104.
  47. Chede L. S., Wagner B. A., Buettner G. R., Donovan M. D. Electron spin resonance evaluation of buccal membrane fluidity alterations by sodium caprylate and L-menthol // Int. J. Mol. Sci. 2021. Vol. 22, no. 19. P. 10708. doi: 10.3390/ijms221910708.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».