Онкологические заболевания в последние годы выходят на первое место среди причин смерти в развитых странах. При этом, несмотря на появление новых методов диагностики и лечения, справиться с раком до сих очень сложно. Почти все известные способы борьбы с опухолью имеют значительные побочные эффекты и бывают бесполезны против устойчивых раковых клеток. Решить проблему может фототермическая терапия и ее комбинации с другими методами лечения злокачественных новообразований. Ученые ИТМО разработали новых подход к терапии меланомы с использованием золотых наночастиц, который позволит бороться с опухолью более эффективно и безопасно. О сути исследования и его перспективах рассказываем в материале.

Демонстрация измерения времени жизни флуоресценции родамина, которым прокрашены клетки меланомы, ассоциированные с золотыми наночастицами. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS

За одной решенной проблемой приходит другая: онкология в мире

Сердечно-сосудистые заболевания долгое время лидировали среди причин смерти во всем мире. Однако сейчас на первое место во многих развитых странах выходят онкологические заболевания. Например, в России, по данным Минздрава, ежегодно диагностируют около 10 000 новых случаев заболеваний меланомой — раком кожи. Это одна из сложнейших форм злокачественных опухолей: она быстро метастазирует и ее сложно обнаружить.

На ранних стадиях меланому лечат хирургически, а на поздних — химиотерапией. Но у этих подходов есть ряд недостатков, из-за которых лечение не всегда бывает успешным. Поэтому сейчас перед учеными стоит важная задача — найти более качественный, универсальный и безопасный метод лечения.

Вводим, светим, греем: возможное решение

Один из претендентов на это звание — фототермическая терапия. Ее суть ― использовать молекулы или наночастицы, которые бы накапливались в зоне опухоли и нагревались под воздействием лазера. В этом случае, облучая опухоль, можно создать локальный перегрев клеток, что приведет к их гибели.

У метода есть три важных преимущества. Во-первых, у раковых клеток нет механизмов для защиты от перегрева, то есть они не смогут выработать устойчивость к фототермической терапии. Во-вторых, в процессе лечения можно выбирать, на какие ткани воздействовать, и это увеличивает селективность. В-третьих, гибель клеток вследствие такого перегрева приводит к активизации иммунитета, что повышает эффективность лечения.

При этом доставить наночастицы к месту назначения можно двумя способами: прямой инъекцией или через кровоток. Дело в том, что злокачественная опухоль — это неструктурированная масса активно делящихся клеток, она требует большого количества кислорода и питательных веществ и потому активно кровоснабжается. Однако опухолевые клетки делятся намного быстрее, чем успевают формироваться новые сосуды. Это приводит к большому количеству отверстий в стенках капилляров, в которых застревают наночастицы. Благодаря этому они накапливаются в зоне опухоли.

Нет худа без добра: клетки сами выбирают, как им умирать

Несмотря на перспективность фототермической терапии, и у нее есть ряд проблем. Например, гибель клеток при разных температурах может идти по двум сценариям: облучение либо создает такие условия, что клетка сама решает «умереть» (апоптоз), либо повреждает клетку так, что она не способна больше существовать (некроз). В итоге, опухолевая клетка все равно умирает, но тип ее гибели влияет на эффективность лечения. Например, при некрозе возникает воспаление, которое становится дополнительной нагрузкой на организм ― при этом улучшается кровоснабжение, из-за чего остатки опухоли могут расти еще быстрее.

Поэтому во время фототермической терапии необходимо контролировать тип клеточной гибели, а значит, нужно определить, при каких температурах нагрева клетка выбирает тот или иной сценарий. И тут возникает новая проблема. Дело в том, что температуру тканей достаточно легко измерить, например, с помощью тепловизора — прибора, фиксирующего инфракрасное излучение от тел, нагретых выше -50 °С. Однако температура тканей не равна температуре содержащихся в ней клеток. Поэтому для оценки эффективности фототермический терапии важно знать не только значение температуры в определенной точке, но и ее распределение внутри клетки.

Теперь еще и красим: что предлагают ученые

Решением этой проблемы занимаются ученые ИТМО. Под руководством аспиранта и младшего сотрудника Нового физтеха Алексея Пельтека они разработали собственную методику измерения внутриклеточной температуры. Секрет подхода в использовании особых молекул — флуорофоров.

При облучении определенной длиной волны эти соединения возбуждаются и начинают светиться. Продолжительность этого свечения — или, как его называют ученые, время жизни флуоресценции — зависит от разных факторов окружающей среды, в том числе температуры. Таким образом, если покрасить клетку флуоресцентным красителем, при нагреве можно измерить время жизни флуоресценции и, как следствие, рассчитать внутриклеточное распределение температур.

Когда пора остановить нагрев: проверка гипотезы

Для проверки своей гипотезы ученые использовали золотые наночастицы и лазер с длиной волны 1064 нм (ближняя инфракрасная область). Параметры лазера были выбраны так, чтобы его луч проник сквозь ткани и достиг опухоли — а сделать это можно только в той области спектра, волны которой меньше всего взаимодействуют с клетками человека. В качестве экспериментального объекта ученые выбрали клетки меланомы мышей — эта опухоль находится на «поверхности» тела, и потому на нее проще воздействовать лазером.

«В работе нам нужны были частицы, которые бы поглощали в диапазоне “окна прозрачности” тканей. Под эти параметры подходит большое количество наночастиц, однако золотые частицы не взаимодействуют с тканями и очень хорошо поглощают при длине волны около 1000 нм, что позволило нам использовать меньшее количество частиц для достижения необходимого уровня нагрева. К тому же золотые наночастицы — классический объект фототермической терапии. Мы делали упор на разработку и демонстрацию нового метода измерения температуры и потому хотели взять в качестве материала что-то известное и хорошо изученное. Так мы бы могли удостовериться, что наш метод работает и результаты, которые мы получаем, совпадают с результатами, полученными до нас», — объясняет первый автор статьи, аспирант и младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Алексей Пельтек.

В работе с клеточными линиями исследователям ИТМО помогали коллеги из Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. И.П. Павлова. Благодаря совместным усилиям удалось выяснить, что нагрев клеток до 42 °С приводит к апоптозу, а дальнейшее повышение температуры выше 46 °С ― к некрозу. Вычислить эти границы нужно было, чтобы найти оптимальные условия для фототермической терапии и приступить к следующему шагу — доклиническим испытаниям на животных.

Нет предела совершенству: доклинические испытания

Разработав методику и найдя оптимальные температуры для терапии, ученые опубликовали статью в престижном научном журнале Nanophotonics, но на этом работа не остановилась. На данный момент исследователи уже закончили доклинические испытания на лабораторных мышах: провели им фототермическую терапию с помощью золотых наночастиц и попытались достичь оптимальных температур нагрева — чтобы вызвать апоптоз опухолевых клеток. Сейчас исследователи готовят новую научную статью: в ней они сравнивают комбинации разных способов борьбы со злокачественными новообразованиями.

В экспериментах на мышах также не обошлось без коллабораций. Так, сотрудники вивария Санкт-Петербургского химико-фармацевтического университета помогали с выведением и содержанием лабораторных мышей, часть которых затем проходила курс радионуклидного лечения в Российском научном центре радиологии и хирургических технологий имени А.М. Гранова.

Одна терапия хорошо, а две лучше: практическое применение

В своей второй работе ученые сосредоточились на исследовании комбинаций фототермической терапии с другими методами лечения рака: радионуклидным и химиотерапией. Дело в том, что разрушать опухоль до последней клетки с помощью нагрева чревато осложнениями у пациента. А иммунного ответа, вызываемого апоптозом и легким перегревом в области опухоли, недостаточно, чтобы организм смог справиться с заболеванием самостоятельно. Поэтому совмещение разных методов помогает достичь лучших результатов. Например, использование химиотерапии после фототермической терапии помогает, с одной стороны, уничтожить оставшиеся клетки опухоли, а с другой ― уменьшить дозы химиопрепаратов. К тому же использование разных механизмов воздействия уменьшает риск возникновения у раковых клеток устойчивости к тому или иному методу лечения.

«Наличие у золотых наночастиц высокого поглощения в области ближнего инфракрасного цвета делает их превосходным материалом для фототермической терапии. Существует большое количество статей, посвященных этому методу, а некоторые проекты даже доходили до клинических испытаний. Сейчас ранее разработанные подходы к лечению рака начинают комбинировать для достижения синергического эффекта — мы уже достаточно хорошо изучили их механизмы и знаем, как они работают. Фототермическая терапия постепенно уходит с фронтира и становится практическим медицинским методом. На мой взгляд, в ближайшие пять лет мы увидим ее в реальной клинической практике», — заключает Алексей Пельтек.

Статья: Oleksii O. Peltek, Eduard I. Ageev, Pavel M. Talianov, Alexander S. Timin, Mikhail V. Zyuzin, et al., Fluorescence-based thermometry for precise estimation of nanoparticle laser-induced heating in cancerous cells at nanoscale (Nanophotonics, 2022).

Евгений Шилинг