Группа молодых ученых-химиков из международной лаборатории «Растворная химия передовых материалов и технологий» (Laboratory of Solution Chemistry of Advanced Materials and Technology — SCAMT) Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики занимается разработкой биосовместимых наноразмерных препаратов. Открытие должно способствовать созданию высокоэффективных средств для диагностики и лечения онкологических заболеваний.
Фото: Станислав Тихомиров, Коммерсантъ / купить фото
В медицинских технологиях все чаще используются материалы с линейными размерами в несколько нанометров. Фармацевтические компании используют нанотехнологии в разработке систем диагностики и доставки лекарственных веществ к органам и тканям. Эти препараты дают сегодня больше половины всего оборота в мировой наномедицине. Одна из ведущих областей применения таких систем — онкология.
По оценкам Всемирной организации здравоохранения, в 2018 году зафиксировано 9,6 млн смертей от рака.
В исследовании онкологии на стыке фундаментальных наук — физики, химии и биологии, а также медицины и технологии получения наноматериалов — сформировалось направление «онкологическая нанотехнология», разрабатывающее методы молекулярной диагностики и терапии. Новым подходом к созданию лекарств стала тераностика (терапия + диагностика) — создание препаратов и технологий, которые одновременно работают и как диагностический, и как терапевтический агент. К примеру, одно и то же вещество может выявлять злокачественные клетки в крови и разрушать их. Тераностика относится к персонифицированной медицине: доза лекарства тщательно подбирается в зависимости от хода болезни каждого пациента.
Наша команда поставила перед собой задачу разработки нанообъектов для тераностики онкологических заболеваний в области лучевой или радиотерапии. Суть ее — в доставке разрушительной дозы облучения до злокачественной клетки при минимальной лучевой нагрузке на окружающие ее здоровые ткани.
Достижение эффекта возможно путем повышения селективности лечения, то есть способности избирательно воздействовать именно на новообразование, не затрагивая близлежащие здоровые ткани. Кроме того, для увеличения эффективности диагностики и терапии рака препарат должен обладать максимальной способностью преодолевать естественные биологические барьеры при достижении злокачественных клеток.
За основу нашего препарата мы берем керамические наноантенны — высокоэлектроноплотные наноразмерные объекты. Если проще, это наночастицы соединений металлов с высоким атомным зарядом (номер по периодической таблице Д. И. Менделеева), обладающие биоинертностью. К таким материалам относятся, например, оксиды гафния и тантала. Наибольшей эффективностью будут обладать частицы размером не более 50 нм с высокой степенью кристалличности ядра. Керамические наноантенны обладают рядом уникальных физико-химико-биологических характеристик.
Снимки керамических наночастиц, снятые с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) высокого разрешения
Отличительная особенность наночастиц, составляющих наноантенны для тераностики,— в том, что они одновременно и контрастное вещество для рентгеновской компьютерной томографии (радиодиагностика), и радиосенсибилизатор (радиотерапия). Такие свойства им придает тот самый металл с высоким атомным номером.
Помимо этого такие наночастицы могут служить платформой для создания мультифункциональных препаратов, сочетающих в себе различные способы лечения и визуализации заболеваний, а также адресной доставки наночастиц в опухоль. Вводя новые структурные элементы в нанопрепарат, можно собирать из них, будто из конструктора лего, в котором каждая деталька будет отвечать за определенные функции. Так, например, в нашей работе мы поставили себе цель получить частицы с настраиваемыми люминесцентными свойствами за счет введения в их структуру различных редкоземельных элементов. Настраиваемые люминесцентные характеристики могут помочь решать узкие задачи при визуализации опухолей, повысить точность обнаружения раковых клеток. Особенно перспективной для биовизуализации является апконверсионная люминесценция.
Микрофотографии керамических наноантенн в фотолюминесцентном микроскопе при ультрафиолетовом возбуждении
Апконверсионная люминесценция — это процесс конвертирования длинноволнового света в коротковолновый. Например, волны инфракрасного диапазона (ИК) могут преобразовываться в волны видимого света. Как это явление увеличивает эффективность диагностики опухолей? Введенный в организм нанопрепарат при облучении невидимыми человеческому глазу ИК-лучами, достигнув «цели», на экране монитора диагностического оборудования покажет картину морфологии и размеров новообразования. Волны инфракрасной длины обладают рядом преимуществ: при не слишком большой интенсивности они безопасны для человека, а главное — способны проникать в ткани на значительную глубину, так как попадают в окно прозрачности биологических тканей.
Механизм радиосенсибилизирующего действия связан с процессом образования свободных радикалов в результате испускания наноантеннами вторичного излучения при проведении лучевого лечения. Механизм действия на клетку ионизирующего излучения (рентгеновского, гамма-, электронного) связан с ионизацией клеточных органелл или воды. Данный процесс, называемый радиолизом, вызывает образование активных форм кислорода и свободных гидроксильных радикалов. Их взаимодействие с ДНК и клеточными структурами вызывает апоптоз — гибель злокачественной клетки.
Благодаря наноразмерам и биоинертности керамические наноантенны могут преодолевать биологические барьеры и проникать в клетки. Этот инновационный подход позволяет расширить терапевтическое «окно» лучевой терапии. Иными словами, противоопухолевый эффект может быть получен при более низкой суммарной очаговой дозе.
Таким образом, в перспективе разработка препаратов для онкологической нанотераностики позволит увеличить эффективность диагностики и терапии онкологических заболеваний и заложить основу для создания препаратов персонифицированной медицины. Такой подход поможет повысить выживаемость онкологических больных за счет снижения влияния на организм побочных эффектов. А также тераностика благодаря объединению дорогостоящих процедур в одну сможет сэкономить затраты на дорогостоящее лечение, что, несомненно, подчеркивает доступность высококачественного лечения для каждого пациента.