Опухоли, проникающие в зрительный нерв или сонную артерию, крайне сложно удалить без риска развития слепоты или инсульта. Традиционные методы лечения, такие как хирургия и химиотерапия, оказываются неэффективными, поскольку не позволяют воздействовать на опухоль, не затрагивая при этом здоровые ткани. Фототермическая терапия представляет собой многообещающую альтернативу: в опухоль вводят наночастицы, которые затем облучают лазером. Эти частицы поглощают свет, нагреваются и разрушают раковые клетки изнутри. Однако существующие частицы, изготовленные из золота и серебра, являются дорогостоящими, токсичными и не обеспечивают возможности точной настройки процесса нагрева. Российские ученые из Пермского Политеха и Московского центра передовых исследований, совместно с коллегами из ОАЭ и Франции, предложили альтернативное решение. Они впервые в мире разработали сферические наночастицы, состоящие из диселенида вольфрама и палладия – безопасные (создаются в водной среде без использования опасных химических веществ), экономичные и обладающие рекордной эффективностью нагрева, достигающей 81%. Ключевое отличие заключается в том, что частицы на основе вольфрама обеспечивают точечный нагрев (для опухолей, расположенных вблизи нервов и сосудов), а частицы из палладия – более широкий (для крупных новообразований). Врач может выбрать оптимальный вариант для каждого конкретного пациента. Данное исследование открывает возможности для более точного и доступного лечения онкологических заболеваний.
Исследование опубликовано в журнале «Applied Surface Science».
В давние времена врачи использовали прижигание для лечения поверхностных новообразований, таких как рак кожи, опухоли на губах или молочной железе, воздействуя на них раскалённым железом. Эта процедура была эффективна, поскольку высокая температура разрушала поражённые ткани в тех областях, куда можно было приложить инструмент. Опухоли чувствительны к нагреванию, поскольку их кровеносные сосуды развиваются беспорядочно, что приводит к нарушению кровотока – жар задерживается, а не выводится, как в здоровых тканях. Кроме того, эти клетки характеризуются быстрым делением и ошибками в процессе, их механизмы восстановления часто не работают, и после воздействия тепла они не способны восстановиться, что приводит к их гибели.
Что же делать в случае глубоко расположенной опухоли, например, в лёгком, печени или мозге? Доступ к ней затруднён, поскольку любое вмешательство может привести к повреждению самого органа. Возможно ли облегчить ситуацию с помощью посещения бани или прикладывания горячих компрессов? Это неэффективно. Организм обладает способностью к самоохлаждению: при попытке повысить общую температуру запускаются процессы потоотделения и расширения сосудов кожи. Повысить внутреннюю температуру выше 39–40°C без наступления теплового удара невозможно, и этого недостаточно для гарантированного повреждения. Если воздействовать теплом снаружи, оно останется в слоях кожи, что приведёт к ожогу, но не повлияет на опухоль.
Для локального нагрева изнутри, не затрагивая при этом неповрежденные ткани, необходим определенный метод. Решением стали два научных достижения двадцатого века: лазерная технология и наночастицы. Префикс «нано» обозначает одну миллиардную часть метра – это значительно меньше бактерии. Благодаря своим крошечным размерам, они способны перемещаться по кровотоку, не блокируя капилляры, и даже проникать внутрь клеток.
Инфракрасное излучение в диапазоне длин волн от 650 до 950 нанометров безопасно проникает через кожу, мышечную ткань и другие живые структуры. Однако, если в этих тканях присутствуют микроскопические наночастицы, состоящие из определенных веществ, то это излучение начинает преобразовываться в тепло непосредственно внутри этих частиц.
Инфракрасное излучение слабо проникает в человеческое тело, поскольку оно в основном состоит из воды, белков и жиров, не поглощающих этот свет, подобно тому, как стекло пропускает видимый свет. Однако наночастицы, такие как частицы золота, обладают иным строением. Под воздействием света электроны в них начинают колебаться, что приводит к выделению тепловой энергии.
Благодаря этим двум открытиям был разработан метод фототермической терапии, название которого происходит от слов «фото» (свет) и «термия» (тепло). Эта технология позволяет проводить точечное уничтожение опухолей, исключая хирургическое вмешательство и токсическое воздействие: в организм вводят наночастицы, после чего лазерным лучом просвечивают снаружи. Свет проникает сквозь кожу, нагревает эти частицы, которые затем выжигают раковые клетки изнутри.
В качестве терапии в кровь вводят раствор, содержащий наночастицы. Анатомия сосудов быстро растущей опухоли отличается неровностью – в них присутствуют значительные просветы, позволяющие частицам проникать и задерживаться непосредственно в опухолевой ткани. Здоровые органы, характеризующиеся плотной структурой стенок, не имеют подобных дефектов, поэтому наночастицы не проникают внутрь. Процесс накопления занимает от 12 до 48 часов, после чего специалист освещает пораженную область специальной лампой и выявляет места концентрации введенного вещества на экране.
В настоящее время данная методика уже используется. За границей технологию тестируют в борьбе с раком предстательной железы и легких, в России с её помощью удаляют меланому кожи и лечат опухоли глаз. Однако, почему такая терапия пока не получила широкого распространения?
В настоящее время для создания наночастиц, используемых в терапии, чаще всего применяют золото и серебро. Эти металлы были выбраны благодаря их способности эффективно поглощать инфракрасное излучение и преобразовывать его в тепловую энергию, превосходя по этому показателю многие другие материалы. Золото характеризуется химической инертностью, что исключает его коррозию и растворение в биологических средах, а серебро обладает устойчивостью и дополнительно обладает антибактериальными свойствами.
Несмотря на перспективность этих материалов, они обладают существенными недостатками. Использование дорогих металлов делает производство необходимого количества наночастиц затратным, что ограничивает доступность терапии. Для предотвращения агрегации частиц в растворе их покрывают стабилизаторами, однако многие из них проявляют токсичность для клеток. Даже самое устойчивое золото в форме микроскопических частиц со временем подвергается окислению и высвобождает ионы (серебро демонстрирует эту тенденцию в большей степени). Эти ионы скапливаются в печени и селезёнке, выводятся из организма крайне медленно.
Специалисты Пермского Политеха, Московского центра передовых исследований, а также ученые из ОАЭ и Франции разработали альтернативу золоту – соединения, известные как дихалькогениды переходных металлов. Несмотря на сложное название, это всего лишь кристаллы, состоящие из двух компонентов: металла и селена. Селен – химический элемент, близкий по свойствам к сере. В малых дозах он необходим для нормальной работы щитовидной железы, а в виде наночастиц он действует как «ловушка для света», обеспечивая поглощение дихалькогенидами инфракрасного излучения в необходимом спектре.
Для проведения исследований были выбраны вольфрам, из которого изготавливают нити накаливания в лампах, и палладий – драгоценный металл, близкий к платине и используемый в ювелирных изделиях. Оба металла не токсичны и, что особенно важно для обеспечения доступности лечения, обходятся дешевле золота. Однако ключевое различие заключается в способе нагрева. Золото нагревается лишь на своей поверхности, что требует придания его частицам замысловатую форму (например, в виде палочек или шипов). В то время как у вольфрама и палладия тепло генерируется внутри всего объема, что делает процесс более простым, экономичным и надежным.
Эти соединения были известны ранее, однако в форме плоских кристаллических покрытий. Впервые исследователи получили из них микроскопические сферические частицы, используя лазер – импульс длительностью в миллионную долю секунды, отнесенную к миллиардной доле секунды.
— Существенным достоинством данного метода является его экологичность: частицы формируются непосредственно в водной среде, исключая необходимость использования токсичных стабилизаторов, и благодаря собственному электрическому заряду не подвержены агрегации. Это является значительным преимуществом по сравнению с частицами золота и серебра, которые требуют нанесения ядовитых покрытий для предотвращения слипания. Форма шариков была выбрана не случайно: в отличие от острых фрагментов или плоских пластинок, они безопасно циркулируют по кровотоку и эффективно проникают в опухоль, не травмируя здоровые ткани, — объясняет Александр Сюй, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Выяснилось, что селенид вольфрама и селенид палладия, имеющие весьма схожий состав, демонстрируют разное поведение при воздействии инфракрасного излучения. Первый материал нагревается исключительно на одной, чётко заданной длине волны (770 нм). Незначительное отклонение в настройках лазера приводит к практически полному прекращению нагрева. В то время как второй материал эффективно преобразует в тепло инфракрасное излучение в широком диапазоне от 650 до 950 нм. Это позволяет врачу использовать практически любой источник инфракрасного излучения, не требуя точной подгонки лазера.
Исследователи впервые продемонстрировали возможность выбора оптимального метода нагрева, используя различные материалы при сохранении лазерной технологии. Это предоставляет врачам новые возможности. Для небольших опухолей, расположенных в сложных участках, например, вблизи нервов, предпочтительно использовать вещество на основе вольфрама, которое обеспечивает локальный нагрев. Для прогревания крупных опухолей, требующих равномерного воздействия, подойдет соединение на основе палладия, обеспечивающее эффективную работу в широком спектре волн. Оба материала безопасны для организма и не содержат вредных добавок.
В ходе лабораторных исследований была определена эффективность обоих видов частиц. Диселенид палладия преобразует до 81 процента лазерной энергии в тепло, в то время как диселенид вольфрама — 71 процент. К слову, наиболее эффективные образцы на основе золота демонстрируют схожие показатели в пределах 70–80 процентов, однако они обладают более высокой стоимостью и токсичностью.
— Согласно проведенному исследованию, уменьшение размера частиц приводит к увеличению их эффективности. Частицы диаметром 12 нанометров демонстрируют более высокую теплоотдачу по сравнению с частицами диаметром 50 нанометров, поскольку практически не рассеивают свет. Это указывает на то, что для терапии глубоко расположенных опухолей предпочтительнее использовать частицы меньшего размера, так как они способны доставить тепло на необходимую глубину, минимизируя потери энергии в процессе. — поясняет Александр Сюй.
Вольфрамовые и палладиевые наночастицы оказались более экономичными и безопасными по сравнению с золотыми. В онкологии это предоставляет врачам дополнительные возможности: частицы из вольфрама обеспечивают локальный нагрев и подходят для опухолей, находящихся вблизи нервных окончаний или кровеносных сосудов, тогда как частицы из палладия создают более широкую область нагрева, позволяя воздействовать на крупные или глубоко расположенные новообразования. Данная технология готова к продолжению тестирования и в будущем позволит сделать лечение рака более эффективным и доступным.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ