Исследователи Сибирского федерального университета провели анализ двух типов наночастиц, отличающихся составом ядра и имеющих золотую оболочку, для определения их потенциальной эффективности в лазерном лечении рака.
В рамках международного научного сотрудничества исследователи из Сибирского федерального университета изучили два вида наночастиц, отличающихся составом ядра и имеющих золотую оболочку. Целью исследования было определение, какие из них обладают большей эффективностью в качестве термосенсибилизаторов при лазерной терапии рака.
По мнению исследователей, наибольший успех продемонстрировали наночастицы, ядро которых сформировано из легированного алюминия (или галлия) оксида цинка. Основные выводы опубликованы в Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer.
Медицинское сообщество столкнулось с разочарованием: универсальные возможности радио- и химиотерапии не были реализованы, поскольку эти методы лечения онкологических заболеваний имеют серьезные противопоказания и вызывают значительные побочные эффекты. В качестве одного из наиболее перспективных и активно разрабатываемых направлений рассматривается метод локальной и избирательной гипертермии – технология нагрева опухолевых клеток с использованием различных устройств, позволяющая воздействовать только на злокачественные клетки, не затрагивая здоровые ткани.
В терапии локальной гипертермии применяются разнообразные физиотерапевтические средства, такие как высокоинтенсивный ультразвук, лазерное излучение и переменные магнитные поля. Основная идея метода заключается в нагревании тканей (до 42-47°С) в области опухолевых клеток, что приводит к их избирательному разрушению. Злокачественные клетки, благодаря особенностям своей структуры, более восприимчивы к воздействию высоких температур, чем здоровые. В настоящее время локальную гипертермию преимущественно используют для усиления эффективности комбинированного или комплексного лечения, хотя в отдельных случаях она может применяться и как самостоятельный метод.
«В последние десять-пятнадцать лет гипертермия активно развивается. Интерстициальная лазерная термотерапия (ИЛТТ), также известная как Laser induced interstitial thermotherapy (LITT), является одним из видов этого метода и обладает рядом преимуществ. В частности, лазерная термотерапия позволяет непрерывно отслеживать процессы нагрева в режиме реального времени и визуально оценивать изменения температуры в тканях.
Второй этап предполагает нагрев в точно определенном объеме, который соответствует конфигурации опухоли. В технологии ИЛТТ применяется инфракрасный лазер: температура опухоли повышается до 45°С, что приводит к практически необратимому повреждению ее клеток из-за изменения белковой структуры – проще говоря, клетки «свариваются». Лазерное воздействие осуществляется непосредственно через кожу пациента или посредством лапароскопии, что позволяет минимизировать хирургическое вмешательство.
Для обеспечения целенаправленного и бережного нагрева, не затрагивающего здоровые ткани, необходимо применять термосенсибилизаторы, такие как магнитные или плазмонно-резонансные наночастицы. Их вводят в кровоток или непосредственно в опухоль, пояснил аспирант Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Артем Костюков.
Благодаря наличию ДНК-аптамеров, выполняющих роль распознающего агента на поверхности золотой оболочки, эти частицы избирательно связываются с мембранами только злокачественных клеток. Поглощая лазерное излучение, наночастицы выделяют тепловую энергию, которая повреждает мембрану и вызывает гибель клетки. Это позволяет уменьшить мощность лазерного излучения, необходимого для воздействия на опухоль, по сравнению с прямым воздействием. Кроме того, существует возможность модификации характеристик частиц, выбирая различные материалы для их создания, а также подбирая размеры, форму и структуру.
«Использование наночастиц золота для терапевтических целей не является новым подходом. Например, их можно загружать лекарственными препаратами и применять для адресной доставки медикаментов непосредственно в опухоль. Также возможно облучать эти специализированные «наводчики», которые скапливаются в пораженных клетках, лазером. Они поглощают свет, генерируют вокруг себя локализованное интенсивное тепловое поле и уничтожают раковые клетки посредством теплового воздействия».
Цельная золотая наночастица поглощает лазерное излучение на той же длине волны, что и гемоглобин человека. Воздействие лазером на такие частицы может привести к вмешательству в здоровые ткани и ухудшению состояния пациента. Чтобы предотвратить это, американские исследователи предложили создавать «сборные» наночастицы, заключая кварцевое ядро в золотую оболочку. В таком случае пик поглощения смещается в сторону более длинных волн, ближе к инфракрасному диапазону, где гемоглобин не поглощает излучение и не подвергается ненужной нагрузке.
Мы пошли еще дальше, предложив повысить эффективность передачи тепловой энергии от наночастицы к раковым клеткам с помощью новых материалов. Согласно расчетам, наночастицы, ядро которых сформировано из легированного алюминием (или галлием) оксида цинка, демонстрируют значительно более быстрое поглощение и отдачу тепла по сравнению с традиционно используемыми кварцевыми аналогами. Об этом сообщил руководитель рабочей группы, профессор базовой кафедры фотоники и лазерных технологий Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Сергей Карпов.
Ученые также сообщили об успехе в пересмотре методов оценки эффективности наночастиц-термосенсибилизаторов. По их данным, оптимизация должна проводиться не на основе оптических характеристик, а с учетом тепловых свойств. Золотая оболочка хорошо зарекомендовала себя на протяжении многих лет: золото отличается хорошей биосовместимостью и гипоаллергенностью. Оценка основного компонента, по сути, заключается в определении скорости улавливания и передачи тепловой энергии.
В состав научной группы также включены специалисты из 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).