Как синтезированные лазером наночастицы германия помогают в терапии рака?

Исследовательская группа из лаборатории «Бионанофотоники» ИФИБ НИЯУ МИФИ совместно с коллегами из лаборатории «Молекулярной иммунологии» ИБХ РАН разработали инновационный материал для визуализации и лечения раковых опухолей на основе биорастворимых наночастиц германия (Ge). Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Science.

Наночастицы на основе металлических или полупроводниковых материалов способны очень эффективно нагреваться под действием инфракрасного излучения, приходящегося на так называемое окно относительной прозрачности биологических тканей. Подобное излучение является безопасным для человека и способно проникать в ткани на глубину до 5 см, а его источником может служить самая обычная лазерная указка с маркетплейса. Наночастицы способны самостоятельно находить раковые опухоли и накапливаться в них благодаря своим крайне малым размерам. После чего на новообразование достаточно посветить безопасным инфракрасным излучением, и наночастицы конвертируют эту энергию в тепло, что вызовет перегрев (T > 45 °C) и гибель раковых клеток. То есть мы буквально выжигаем раковые опухоли, не нанося при этом никакого вреда здоровым тканям. Такой инновационный неинвазивный щадящий метод лечения называют фототермической терапией (ФТТ). В 2019 году в ходе пилотных клинических испытаний этот метод показал крайне высокую эффективность при лечении рака простаты 1-2 стадии – удалось полностью вылечить 15 из 16 пациентов.

Кроме того, эффективный фотонагрев наночастиц может использоваться не только для лечения, но и для визуализации раковых опухолей. Хорошо известно, что при нагреве большинство материалов расширяется, и если нагрев произошел достаточно быстро, это может привести к возникновению акустического отклика – фотоакустическому эффекту, открытому Александром Беллом в конце XIX века. Поэтому, когда наночастицы нагревают импульсным лазерным излучением, они излучают ультразвук в ответ. Такой отклик пропорционален концентрации наночастиц, а его пространственное распределение позволяет с высокой точностью (~10-100 мкм) судить о местоположении опухоли, что позволяет не только визуализировать новообразования, но и планировать процедуру лечения методом ФТТ.

Еще одной важной проблемой, которую удалось решить, стала задача полного выведения наночастиц из организма после проведения лечения. Учёным из НИЯУ МИФИ и ИБХ РАН удалось совместными усилиями разработать биодеградируемые нетоксичные наночастицы на основе германия. Для снижения иммунного ответа и повышения эффективности накопления в опухоли поверхность наночастиц была покрыта биосовместимым сывороточным белком бычьего альбумина. Затем модифицированные наночастицы вводились в организм для проведения ФТТ и фотоакустической визуализации. Результаты исследований показали, что наночастицы позволяют эффективно визуализировать и уничтожать опухоли, а затем полностью растворяются и естественным образом выводятся из организма за неделю.

Эти уникальные наночастицы были впервые получены в лаборатории «Бионанофотоники» ИФИБ НИЯУ «МИФИ» по запатентованной технологии лазерно-абляционного синтеза наноматериалов. Метод лазерной абляции в жидкости позволяет получать сверхчистые нетоксичные наночастицы с контролируемыми физико-химическими свойствами. При этом сам метод является универсальным – можно получать наночастицы практически из любого материала.