Наночастицы гемина в форме головастиков и сфер: 308-кратное увеличение растворимости для биодоступности железа

Аннотация

Гемин — высокобиодоступный источник железа — ограничен крайне низкой водной растворимостью. Мы сообщаем о простом диализном подходе, дающем две различные морфологии наночастиц гемина: в форме головастиков (голова ≈200 нм, хвост ≈100 нм) и сферические (50–100 нм). Обе формы демонстрируют драматически улучшенную растворимость: сферические частицы достигают 308-кратного увеличения при 25 °C по сравнению с свободным гемином. Наночастицы остаются стабильными в кислой среде, при высоких температурах и ионной силе, а также показывают сильное поглощение в ближнем инфракрасном диапазоне, что делает их перспективными кандидатами для обогащения пищевых продуктов, биомедицинской доставки и фоттермических терапий.

Введение

Железодефицит затрагивает почти 20 % населения Земли, приводя к анемии и снижению качества жизни. В то время как немежевое железо из растительных источников легко доступно, его всасывание часто субоптимально. Гемин — производный от гемоглобина и миоглобина — обеспечивает высокую абсорбцию (50–87 %), но страдает от гидрофобности и плохой растворимости, что затрудняет практическое применение. Конвенциональные стратегии, такие как комплексация с белками, со-кристаллизация с аргинином и включение в циклодекстрины, улучшили растворимость, но требуют сложных процедур, ограничивая масштабируемость.

Нанотехнологии открывают убедительный путь улучшения физико-химических свойств гидрофобных биоактивных веществ без изменения органолептических характеристик. Наночастицы могут увеличивать видимую растворимость, улучшать биодоступность и обеспечивать таргетированную доставку. Здесь мы разрабатываем простой диализный метод для получения химически различных наночастиц, оцениваем их морфологию, физико-химическую стабильность и растворимость, а также подчеркиваем их потенциальные применения.

Материалы и методы

Материалы

Гемин и диализные мембраны 8–12 кДа получены от Beijing Solarbio. Ацетон (≥ 99,5 %) приобретен у Kant Chemical. Все остальные реактивы аналитического grado.

Приготовление наночастиц гемина

Гемин (0,1 или 0,5 мг/мл) растворяли в ацетоне, закисленном 0,1 мл HCl. Раствор диализировали против деионизированной воды с ежедневной заменой воды до получения наночастиц лиофилизацией. Варировали параметры: соотношения гемин/вода (1:3, 1:5, 1:10, 1:50), температура (4 °C или 25 °C) и длительность диализа (1–5 дней).

Проницающая электронная микроскопия (ТЭМ)

Изображения получены на Hitachi 7700 при 80 кВ. Образцы наносили на углерод-покрытые сетки и лиофилизировали.

Динамическое рассеяние света (ДРС)

Размер, ζ-потенциал и PDI измеряли на Malvern Zetasizer Nano (разбавление 0,05 % в воде MilliQ, 25 °C).

УФ-Vis спектроскопия

Спектры поглощения (200–800 нм) регистрировали на TU-1810. Концентрации определяли при 640 нм.

Определение растворимости

Насыщенные растворы свободного гемина и наночастиц помешивали при 25, 37, 60 и 80 °C (500 об/мин, 30 мин). Надфильтраты центрифугировали, разбавляли и анализировали УФ-Vis.

Тесты стабильности

Суспензии наночастиц (0,5 мг/мл) экспонировали при pH 2–11, температурах 25–80 °C и NaCl (0–500 мМ). Размер, ζ-потенциал, PDI и мутность отслеживали в течение ночи при 25 °C.

ФТИР, флуоресценция и РДА

ФТИР спектры (400–4000 см⁻¹) снимали на Jasco Tensor 27. Флуоресценция (экcitaция 402 нм, эмиссия 300–600 нм) измеряли на Hitachi F-7000. РДА образы (2θ 4–40°) получали на Bruker AXS D8 ADVANCE.

Результаты и обсуждение

Формирование и морфология

При 0,5 мг/мл гемина сферические наночастицы (50–100 нм) возникали при соотношении 1:10 после 3 дней диализа. Более высокие соотношения (1:50) давали стержневатые агрегаты. В отличие от этого, 0,1 мг/мл гемина давало частицы в форме головастиков (≈200 нм голова, 100 нм хвост) при тех же условиях. ТЭМ подтвердило монодисперсные структуры; ДРС показало гидродинамические диаметры 218 ± 6 нм (сферы) и 300 ± 8 нм (головастики). ζ-потенциалы −21 мВ (сферы) и −11 мВ (головастики), указывая на хорошую коллоидную стабильность. Значения PDI (0,35–0,40) отражали узкие распределения размеров.

Оптические свойства

УФ-Vis спектры показали сдвиг bandas Соре с 344 нм (свободный гемин) на 265 нм (наночастицы), свидетельствующий об усиленном π-π конъюгации. Обе формы наночастиц демонстрировали сильное поглощение в ближнем ИК (≈660–770 нм), выгодное для фоттермических и фотоакустических приложений. Пик флуоресценции при 500 нм был выше, чем у свободного гемина, вероятно, из-за увеличенной растворимости.

Увеличение растворимости

Растворимость свободного гемина при 25 °C составляла 0,009 мг/мл. Сферические наночастицы достигли 1,33 мг/мл — 308-кратный рост. Частицы в форме головастиков растворились до 1,00 мг/мл. Растворимость росла с температурой для всех образцов, подтверждая термически активированное растворение.

Структурное подтверждение

ФТИР спектры показали расширенные N-H/O-H банды (3470 см⁻¹) в наночастицах, указывающие на более сильные водородные связи. РДА сфер сохраняли кристаллические пики свободного гемина, тогда как головастики демонстрировали сниженную кристалличность (35,7 % против 56,7 % у свободного гемина), что указывает на частичную амортизацию.

Стабильность

Наночастицы оставались стабильными в кислой среде (pH ≤ 7) с минимальными изменениями размера и PDI. При щелочном pH (≥ 9) наблюдалась агрегация (> 400 нм). Термическое воздействие до 80 °C вызывало незначительный рост размера, но сохраняло коллоидную целостность. Высокая ионная сила (≥ 250 мМ NaCl) приводила к дестабилизации дисперсии.

Заключение

Мы успешно спроектировали наночастицы гемина в форме головастиков и сфер простым диализным методом, достигнув 308-кратного увеличения растворимости при 25 °C. Частицы демонстрируют отличную кислотную и термическую стабильность и сильное поглощение в ближнем ИК, позиционируя их как универсальные платформы для железного обогащения, доставки лекарств и фоттермических терапий. Будущие исследования сфокусируются на загрузке терапевтических агентов и оптимизации оптико-термических откликов.