Учёные Сибирского федерального университета в составе международного научного коллектива исследовали два вида наночастиц с различным материалом ядра и золотой оболочкой, чтобы выяснить, какие частицы могут более эффективно применяться в качестве термосенсебилизаторов в процессе 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 вJournal 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 серьёзных противопоказаний и побочных эффектов. Метод локальной и избирательной гипертермии — нагрева опухолевых клеток при помощи различных устройств и технологий, в результате чего 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 т. д.). 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 может выступать и в качестве монотерапии в некоторых ситуациях.«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 неё 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 объёме и в соответствии с конфигурацией опухоли. Для ИЛТТ используют инфракрасный лазер: опухоль нагревают до 45 °С, в результате её 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 Артём Костюков.
Учёные 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 чёткими 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 неё, 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 ещё дальше, предложив усовершенствовать передачу тепловой энергии от наночастицы к раковым клеткам благодаря новым материалам. Расчёты 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 свойствам нужно оптимизировать наночастицы, а скорее по тепловым. Золотая „обёртка“ 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 выпускник СФУ, постдок Института оптики Рочестерского университета Илья Рассказов.
Добавим, в состав научного коллектива также вошли ученые Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН
, Института вычислительного моделирования СО РАН
, Сибирского государственного университета науки и технологий им. М. Ф. Решетнёва и Рочестерского университета (США).