Нагреть и разрушить: ученые тестируют новые типы наночастиц для «прицельной» борьбы с раком

Ученые Сибирского федерального университета в составе международного научного коллектива исследовали два вида наночастиц с различным материалом ядра и золотой оболочкой, чтобы выяснить, какие из них могут более эффективно применяться в качестве термосенсебилизаторов в лазерной противоопухолевой терапии.

Сообщается, что наиболее успешными, по мнению исследователей, оказались наночастицы, ядро которых состоит из легированного алюминием (или галлием) оксида цинка. Основные выводы опубликованы в Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer.

К сожалению, надежды медицинского сообщества на универсальные возможности радио- и химиотерапии не оправдались, у этих видов лечения онкологических заболеваний обнаружился целый ряд серьезных противопоказаний и побочных эффектов. Метод локальной и избирательной гипертермии — нагрева опухолевых клеток при помощи различных устройств и технологий, в результате которого повреждаются только злокачественные клетки без вреда для здоровых тканей, — считается одним из наиболее перспективных и активно развивающихся в настоящее время.

Для локальной гипертермии используются различные физиотерапевтические средства (высокоинтенсивный ультразвук, лазерное излучение, переменные магнитные поля и так далее). В целом суть метода состоит в достижении высокой температуры (42-47°С) вблизи опухолевых клеток, при которой наблюдается их избирательная гибель (тем более, что злокачественные клетки в силу особенностей их строения более чувствительны к высоким температурам, чем здоровые). Локальная гипертермия в настоящее время чаще используется для повышения эффективности комбинированной или комплексной терапии больных, однако в некоторых ситуациях может выступать и в качестве монотерапии.

«Гипертермия как метод активно развивается последние десять-пятнадцать лет. Так называемая интерстициальная (внутритканевая) лазерная термотерапия ИЛТТ (Laser induced interstitial thermotherapy — LITT) — это разновидность данного метода, и у нее есть свои преимущества. Во-первых, при использовании лазерной термотерапии можно непрерывно следить за процессами прогревания в режиме реального времени и визуализировать температурные изменения в тканях.

Во-вторых, нагрев происходит в строго заданном объеме и в соответствии с конфигурацией опухоли. Для ИЛТТ используют инфракрасный лазер: опухоль нагревают до 45°С, в результате ее клетки практически необратимо повреждаются из-за изменения структуры белка — грубо говоря, оказываются “сваренными”. Лазер воздействует прямо через кожу пациента или лапароскопически, это значит, что хирургические вмешательства сводятся к минимуму.

А чтобы сделать процесс нагрева направленным и щадящим здоровые ткани организма, нужно использовать термосенсибилизаторы: магнитные или плазмонно-резонансные наночастицы, которые вводят в кровоток или непосредственно в опухоль», — рассказал аспирант Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Артем Костюков.

Ученые объясняют, что эти частицы строго избирательно закрепляются на мембранах лишь злокачественных клеток, благодаря наличию на поверхности золотой оболочки распознающего агента — ДНК-аптамеров. Находясь на мембране и поглощая лазерное излучение, наночастицы будут выделять тепловую энергию, повреждающую мембрану и приводящую к гибели клетки. Это позволяет снизить мощность лазерного излучения по сравнению с его прямым воздействием на опухоль. Помимо этого, существует важная возможность изменять «настройки» частиц, выбирая для их конструирования различные материалы, подбирая размеры, форму и структуру.

«Идея помещать наночастицы золота в человека для решения терапевтических задач не нова. Можно их, скажем, нагружать лекарственными средствами и использовать для адресной доставки медикаментов прямо в опухоль. А можно облучать таких своеобразных “наводчиков”, концентрирующихся прямо в переродившихся клетках, лазером — они поглощают оптическое излучение, создают вокруг себя интенсивное тепловое поле с четкими границами и убивают раковые клетки “перегревом”.

Однако цельная золотая наночастица поглощает лазерное излучение на той же длине волны, что и человеческий гемоглобин — воздействуя лазером на нее, мы можем вмешаться в здоровые ткани и спровоцировать ухудшение общего состояния пациента. Чтобы этого не произошло, наши американские коллеги некоторое время назад предложили делать наночастицы “сборными” — ядро из кварца “одевать” в золото. В этом случае пик поглощения частицы смещается в длинноволновую область ближе к инфракрасному излучению, и именно в этой области гемоглобин условно “прозрачен” и не получает ненужную нагрузку.

Мы же пошли еще дальше, предложив усовершенствовать передачу тепловой энергии от наночастицы к раковым клеткам благодаря новым материалам. Расчеты показали, что наночастицы, ядро которых состоит из легированного алюминием (или галлием) оксида цинка, исключительно быстро поглощают и отдают тепло по сравнению с привычными кварцевыми “собратьями”», — уточнил руководитель рабочей группы, профессор базовой кафедры фотоники и лазерных технологий Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Сергей Карпов.

Исследователи также отметили, что им удалось изменить понимание, как следует проверять наночастицы-термосенсебилизаторы на «профпригодность». «Оказалось, что не по оптическим  cвойствам нужно оптимизировать наночастицы, а скорее — по тепловым. Золотая “обертка” проверена годами: золото прекрасно совместимо с человеческим организмом и гипоаллергенно. А проверка ядра, в сущности, сводится к вопросу, насколько быстро оно способно поймать и передать тепловую энергию», — констатировал постдок Института оптики Рочестерского университета Илья Рассказов.

Добавим, что в состав научного коллектива также вошли ученые Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН, Института вычислительного моделирования СО РАН, Сибирского государственного университета науки и технологий имени М. Ф. Решетнёва и Рочестерского университета (США).

СФУ

137 статей

Сибирский федеральный университет (СФУ) – крупнейший университет восточной части России. Состоит из 21 профильного института и 3 филиалов. Выполняет широкий спектр уникальных научных исследований в области биотехнологий, новых материалов, металлургии и горного дела, нанотехнологий, архитектуры и дизайна, космических и информационных технологий, математики, геномики, медицины и по многим другим направлениям. В университете действуют ведущие научные школы РФ, поддержанные грантами Президента РФ: «Дендроклиматический и дендроэкологический мониторинг лесов Северной Евразии» (руководитель – академик РАН Евгений Ваганов), «Экологическая биофизика» (руководитель – академик Иосиф Гительзон). А также научная школа профессора Августа Циха «Интегральные методы в комплексном анализе и алгебраической геометрии» и научная школа профессора Георгия Шайдурова «Радионавигационные и радиолокационные системы и устройства».

Показать больше