Концепция построена на взаимодействии резонансных полупроводниковых наночастиц — оксида железа (Fe₂O₃) со светом. Они способны локально нагреваться от воздействия лазера и преобразовывать получаемый свет в тепло. Если такими резонансными частицами модифицировать оболочку полимерных контейнеров (капсул), которые используются в качестве средств для доставки биоактивных веществ в клетки  и облучить их лазером, то из-за тепла произойдет деформация полимерных капсул и дистанционное высвобождение лекарств в нужном месте в нужное время. Исследование опубликовано в журнале Laser and Photonics Reviews.

Схема взаимодействия резонансных полупроводниковых наночастиц со светом. Источник: научная статья в Laser and Photonics Reviews

Над исследованием в области неинвазивного раскрытия капсул с лекарствами в раковых клетках при помощи оптического излучения работала международная команда физиков, химиков и биологов. За синтез и оптическую характеризацию наночастиц оксида железа отвечали ученые Университета ИТМО, французские коллеги помогли составить полный спектр характеризаций структур оксида железа, который используется в качестве полупроводниковой наночастицы. Коллеги из Китая помогли визуализировать процесс вскрытия капсул с лекарством, а сотрудники Первого мединского университета Санкт-Петербурга провели биологические эксперименты по доставке противоопухолевого препарата в первичные опухолевые клетки.

В настоящее время существуют противоопухолевые лекарственные препараты, которые способны эффективно бороться со злокачественными новообразованиями. Но, к сожалению, они направлены не только в отношении пораженных клеток и тканей, но и в отношении здоровых. Поэтому необходимы новые подходы для борьбы с раком. Одним из таких подходов является доставка лекарственных препаратов с помощью микро- и наночастиц, при которой создаются локально высокие концентрации препарата в зоне опухоли при минимальных системных концентрациях во всем организме.

Стадии разработки полимерных капсул с использованием наночастиц оксида железа. Источник: научная статья в Laser and Photonics Reviews

Идея доставки лекарств с помощью нано- и микрочастиц заключается в следующем: частицы, загруженные лекарством, вводятся в организм и накапливаются в зоне опухоли. Чтобы неинвазивно высвободить лекарственный препарат, необходимо сделать частицы-носители светочувствительными. Для этого можно использовать резонансные полупроводниковые наночастицы из оксида железа, которыми модифицируются полимерные контейнеры (капсулы). Далее при облучении модифицированных полимерных контейнеров наночастицы оксида железа нагреются и лекарство неинвазивно высвободится.

Более того, преимущество оксида железа состоит том, что этот материал не только эффективный нанонагреватель, но и локальный нанотермометр. То есть при нагреве частиц можно контролировать температуру, тем самым предотвращая чрезмерный нагрев здоровых клеток и тканей. 

Михаил Зюзин

«Мы протестировали наши системы для доставки лекарств in vitro на стволовых и опухолевых клетках. Стволовые клетки в этом эксперименте были использованы как модель здоровых клеток,а опухолевые клетки — как модель больных клеток. В качестве контроля клетки были просто облучены лазером с теми же параметрами. В итоге действие противоопухолевого лекарства было направлено в отношении опухолевых клеток при облучении их лазером, в то время как в отношении здоровых клеток практически не наблюдалась токсичность лекарств. Контрольные клетки также выжили по окончании эксперимента, что говорит о том, что опухолевые клетки погибли в результате высвобождения лекарства. Таким образом были созданы эффективные светочувствительные системы для доставки лекарств в клетки», — рассказал Михаил Зюзин, соавтор исследования, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.

Разработанные системы для доставки лекарств в клетки могут быть использованы как локальные нанотермометры, что делает их многофункциональными. 

Георгий Зограф

«Наночастицы в данном случае выступают как преобразователи света в тепло и одновременно как термометр. Дело в том, что измерить температуру традиционными способами на таких маленьких объектах крайне сложно. Например, есть разные методики, которые используют красители, которые при достижении определенной температуры выгорают и перестают светить. Но проблема в том, что это не многоразовая термометрия, а также она бинарна, то есть мы можем понять только: это выше какой-то температуры или ниже — да или нет. Конкретных показателей там не будет. А полупроводниковые наночастицы эффективно поглощают свет и преобразуют его в тепло. Из-за этого у него начинает немного меняться частота колебания кристаллической решетки и иначе начинает рассеиваться свет. По этим изменениям мы можем определить то, насколько мы нагрели частицу, а также видим на спектрометре эти данные», — объяснил Георгий Зограф, первый автор статьи, аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО.

Исследователи намерены продолжать работу и развивать полученные результаты. В перспективе запланировано проведение доклинических исследований на лабораторных животных in vivo.

Антонина Никулина

Редакция новостного портала