Spolupráca s Laboratóriom neutrónovej fyziky v Spojenom ústave jadrového výskumu v Dubne
Pripravené nanočasticové systémy študujeme aj experimentálnymi metódami, ktoré sú založené na rozptyle neutrónov pri ich prechode hmotou. Keďže jadrový reaktor produkujúci neutróny na vedecké účely sa na Slovensku nenachádza, využívame pri tom infraštruktúru Frankovho laboratória neutrónovej fyziky, ktoré je súčasťou Spojeného ústavu jadrového výskumu v ruskej Dubne.
Neutróny majú špecifické vlastnosti a ich interakcia s hmotou je odlišná od elektromagnetického žiarenia (röntgenové, infračervené, viditeľné svetlo a.i.), ktoré sa používa štandardne pri štúdiu vlastností materiálov. Vďaka neutrónom je možné nazrieť hlboko do vnútra rôznych štruktúr bez ich narušenia, ako aj jednoznačne rozlíšiť jednotlivé zložky týchto systémov pomocou metód variácie kontrastu a izotopického značkovania. Prakticky ide o zvýraznenie či „zneviditeľnenie“ konkrétnych častí týchto komplexov, čo slúži na ich podrobnú charakterizáciu a presnú lokalizáciu v rámci celého systému. Práve metódou rozptylu neutrónov pod malými uhlami sa nám podarilo určiť vnútornú štruktúru nanokompozitných materiálov, ktoré pozostávali z magnetických nanočastíc Fe2O3 umiestených v póroch matrice z amorfného SiO2 (Size and distribution of the iron oxide nanoparticles in SBA-15 nanoporous silica via SANS study, Particle Size Determination in SBA15 Nanocomposite
Using Model Based Analysis of SANS and Magnetization Experimental Data). Na tieto práce by sme chceli nadviazať, a preto pripravujeme série experimentov, ktoré budú študovať štruktúru a interakcie pripravených nanočasticových systémov navrhnutých na boj proti SARS-CoV-2.
Štúdium štruktúry komplexných nanočastíc Fe3O4@SiO2 (jadro@obal) určených na diagnostiku a terapiu SARS-CoV-2.
Pripravené kompozitné nanočastice s magnetickým jadrom (Fe3O4) a obalom z pórovitej siliky (SiO2) budú na svojom povrchu modifikované rôznymi organickými molekulami, ktoré majú plniť špecifické úlohy spojené s diagnostikou či terapiou ochorenia SARS-CoV-2. Vzniknú tak série komplexných nanočasticových systémov, ktoré budú vyšetrované metódou rozptylu neutrónov pod malými uhlami na experimentálnom stanovišti YuMO.
Experimenty sú navrhnuté tak, že prášková vzorka konkrétneho systému sa rozptýli v zmesi H2O a ťažkej vody (D2O). Jednotlivé vzorky sa vystavia neutrónovej radiácii (približne 1h). Neutróny sa pri prechode vzorkou rozptýlia nie náhodným spôsobom. Pri interakcii s konkrétnou štruktúrou sa, rešpektujúc zákony prírody, vychýlia do smerov, ktoré sú charakteristické práve pre túto štruktúru. Zo záznamu („obrázku“), ktorý ostane po ich dopade na detektor, sa spätne dá vypočítať tvar či priestorová organizácia tejto štruktúry.
Vhodne zvolený pomer zložiek ťažkej a čistej vody ako média zabezpečí variáciu kontrastu, čo umožní výrazné odlíšenie jednotlivých vnútorných komponentov systému (jadro – SiO2 obal – modifikovaný povrch). Primárnym cieľom experimentov je stanovenie veľkostí týchto zložiek. Sekundárnymi cieľmi je sledovanie stability systémov, t.j. procesu sedimentácie či aglomerácie nanočastíc v médiu.
Štúdium interakcie nanočastíc s modelmi bunkových membrán
Otázka interakcie pripravených nanočasticových systémov s bunkovými membránami je kľúčová z hľadiska ich aplikácie v ľudskom organizme. Viaceré práce ukazujú, že modifikované nanočastice sa môžu prichytiť na povrchu membrány, integrovať sa do jej vnútra, ba dokonca túto membránu narušiť a kompletne zničiť. Navrhli sme preto sériu experimentov, ktoré majú za cieľ určiť typ procesu, ktorý prebieha pri kontakte našich modifikovaných nanočastíc s jednoduchým modelom bunkovej membrány. Kvôli nesmiernej komplexnosti reálnej plazmatickej membrány sa na experimentálne účely štandardne využíva jej primitívny model – lipidová dvojvrstva. Dvojvrstva bude prichytená na povrchu hladkého kryštálu rozmerov 5×8 cm, pričom bude vo vodnom prostredí vystavená pôsobeniu študovaných nanočastíc v biologicky relevantnej koncentrácii. Interakcia bude skúmaná metódou neutrónovej reflektometrie na experimentálnom stanovišti GRAINS.
Neutrónová reflektometria sa využíva na štúdium tenkých homogénnych vrstiev. Neutróny, podobne ako svetlo, sa pri prechode medzi týmito vrstvami (na ich rozhraní), čiastočne odrážajú podľa zákonov analogických optickým zákonom. Množstvo odrazených neutrónov závisí od uhla dopadu na rozhranie a vlastností styčných materiálov (druh materiálu, hrúbka). Jednu takúto tenkú vrstvu (cca 4 nm) predstavuje v našom prípade nanesená lipidová dvojvrstva medzi dvomi médiami: kryštálom a vodným prostredím. Ak v dôsledku pôsobenia nanočastíc dôjde k štruktúrnej zmene tejto modelovej membrány, prejaví sa to v zmene intenzity (množstva) odrazených neutrónov pod istým uhlom. Porovnaním reflektivity systému pred a po interakcii s nanočasticami sa pomocou počítačového modelovania dajú vyvodiť závery o zmenách v štruktúre študovanej membrány.
