Повысить температуру в определенном месте организма — такую задачу решили сотрудники двух кафедр: радиохимии физического факультета и высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ. Нужные свойства у магнитных металлоорганических каркасов на основе альгината натрия получились при ультразвуковой обработке.
Фото: Евгения Яблонская, Коммерсантъ
Фото: Евгения Яблонская, Коммерсантъ
Температура спасения
Методы диагностики и лечения онкологических заболеваний — главный интерес многих ученых по всему миру уже десятки лет. Сейчас мы знаем как общие подходы в терапии, которые применимы для всех типов рака, так и специфические. Однако каждый человек уникален, поэтому любой фактор может внести свои коррективы в стратегию лечения или его эффективность.
Одним из интересных и практически важных наблюдений стало явление чувствительности опухолевых клеток к повышенной температуре. Получается, пациент мог простудиться, несколько дней пролежать с температурой, но спастись от более страшного заболевания? Первое сообщение об этом феномене опубликовано в 1779 году — тогда лихорадка при малярии затормозила развитие опухоли. Позднее, в 1866 году, немецкий хирург Вильгельм Буш заявил об излечении от саркомы пациента, перенесшего стрептококковую инфекцию. Количество исследований, где пациенты с острыми инфекциями избавлялись от меланомы, саркомы и других видов рака, росло — к 1965 году их было уже более ста.
Новые случаи порождали новые вопросы и идеи: все прекрасно понимали, что намеренно заражать человека такими инфекциями, как рожистое воспаление, малярия, скарлатина — очень рискованно. Кроме того, не было точно известно, какой температуры будет достаточно, чтобы убить злокачественную опухоль, но не человека. И наконец, неясна причина гибели раковых клеток при таком, казалось бы, незначительном изменении.
На острие градусника
В чем же причина гибели от лихорадки клеток, которые всегда казались нам такими стойкими? Высокая температура всегда ломает большое количество биохимических механизмов: нарушается синтез белка и нуклеиновых кислот, замедляется клеточное дыхание в тканях и т. д. Каскад этих поломок ослабит любую систему, и опухоль — не исключение: становится проще убить ее излучением или специальными препаратами. В здоровых клетках также протекают жизненно важные процессы, которые способна сломать высокая температура, однако этого не происходит. Почему?
Все дело в длительности «температурного режима». В серии экспериментов ученые выделили несколько зон гипертермии: при температуре 38–40°С возможен рост опухоли, она только нагревается; затем, в интервале от 40 до 42°С, она становится чувствительна к известным нам методам лечения (излучение, препараты). Гибель клеток происходит при 43–44°С. Важно, что для деградации опухоли необходимо поддерживать температуру 42°С около двух часов, в то время как для повреждения здоровых клеток понадобится четыре часа, то есть в два раза больше.
Повышение температуры положительно влияет и на иммунитет. Многие врачи и ученые второй половины XIX столетия изучали возможность стимулировать иммунитет с помощью теплового воздействия.
Оказалось, что местная гипертермия способствует усилению иммунного ответа и регулирует соотношение разных типов лимфоцитов, которое нарушено при онкологии. Активность Т-лимфоцитов, играющих главную роль в иммунном ответе, возрастает — организм вновь способен бороться.
Железные угольки
Долгое время о возможности использовать наночастицы и металлы в процессе гипертермии никто не догадывался. Информация об этом появилась в статьях и литературе только в 1957 году. Тогда группа ученых внедрила частицы оксида железа γ-Fe2O3 размером до 200 нм в разные виды опухолей и поместила образцы в переменное магнитное поле. Спустя некоторое время они стали экспериментировать с составом частиц, способом их внедрения и подготовки, частотой поля и другими параметрами. Так появилась магнитная гипертермия — локальный нагрев ткани до температуры 42–45°С с помощью специальных частиц в переменном магнитном поле. Суть метода проста: наночастицы вводятся в опухоль или распределяются вокруг пораженной ткани, а затем трансформируют энергию переменного магнитного поля в тепло и нагреваются in vivo. Частота и сила поля подбираются в зависимости от частиц и опухоли.
Сейчас для гипертермии используют окиси железа Fe3O4 (магнетит) и γ-Fe2O3 (маггемит). Они обладают хорошей биосовместимостью и, конечно, магнитными свойствами. Иногда в состав наночастиц добавляют гадолиний — он ускоряет процесс поглощения энергии. Разрабатываются и новые препараты на основе других металлов, но их безопасность для человека пока не доказана.
Одно из главных преимуществ ферромагнетиков — «настраиваемая» точка Кюри — критическая температура, выше которой вещества теряют свои магнитные свойства. Благодаря этому мы можем избирательно «выключить» наночастицы в здоровых тканях и избежать их перегрева.
В основном в терапии используют частицы диаметром около 10 нм. В то же время ученые продолжают экспериментировать с характеристиками наночастиц и в опытах успешно применяют более крупные частицы. Результаты клинических исследований говорят о перспективности и преимуществах различных вариантов гипертермии. В первую очередь такому лечению поддается широкий спектр онкологических заболеваний: от опухолей молочной железы до рака мозга. В некоторых странах сейчас изучают возможность адресной доставки наночастиц до труднодоступных участков мозга, отвечающих за опорно-двигательную и речевую функции человека. Тогда мы сможем разрушать неоперабельные и сложные опухоли.
Что скрывают наночастицы
Чтобы в полной мере овладеть искусством гипертермии и создать идеальную систему, необходимо знать, как меняются физико-химические параметры частиц с уменьшением их размеров. Какой самый маленький магнит можно создать? Как будут меняться магнитные свойства частиц в немагнитной среде? Эти и другие вопросы волновали исследователей еще с 30-х годов прошлого столетия.
Научные прорывы в области получения и применения магнитных наночастиц произошли во второй половине XX века. Тогда ученые пытались получить наночастицы в виде разных систем — феррожидкости, полимерные и цеолитные матрицы — и в процессе описывали все новые и новые особенности и явления. Благодаря «жестким» матрицам обнаружили гигантское магнитосопротивление и уже известный нам аномально большой магнитокалорический эффект — изменение температуры ферромагнетика при варьировании напряженности магнитного поля. Это одна из причин, по которой в терапии применяются частицы таких маленьких размеров. Кроме того, для наночастицы намагниченность на атом оказалась гораздо больше, чем в массивном образце. Все это открыло множество путей их применения: создание новых типов постоянных магнитов, магнитных сенсоров, магнитного охлаждения и нагревания и т. д.
Интересно, что даже в природе мы можем встретить частицы ферромагнетиков. Смесь магнетита и маггемита помогает бактериям magnetotactic spirillum ориентироваться в соответствии с направлениями магнитного поля Земли.
В лабораториях наночастицы получают несколькими способами. Один из самых первых — метод «молекулярных пучков». Он позволил получить устойчивые частицы и исследовать их магнитные характеристики. Метод основан на испарении твердых или жидких веществ в атмосфере инертного газа и конденсации пара на охлаждающее устройство. γ-Fe2O3 также можно получить окислением магнетита кислородом воздуха или механическим перемалыванием порошка железа в планетарной мельнице.
На практике применяется несколько способов
- раствор металлоорганического соединения впрыскивают в нагретый раствор, содержащий смесь поверхностно активных веществ — происходит термическое разложение;
- терморазложение солей жирных кислот (стеаратов, олеатов и др.) в высококипящих углеводородах (гептадекан, октадецен);
- восстановление органических металлосодержащих соединений (ацетилацетонатов, ацетатов) с помощью спиртов или аминов.
В 1996 году ученые получили наночастицы оксида железа с помощью разложения карбонила под действием ультразвука. В результате в среде ПАВ образовались частицы маггемита. Как и в предыдущих опытах, размер и параметры наночастиц зависели от типа среды и концентрации ПАВ.
Но наиболее популярный метод — получение наночастиц в органических растворителях при высоких температурах (200–350°С). В результате образуются близкие по размерам частицы (разброс составляет около 5%).
Полимерный дом — основа стабильности
Для практического применения первое и главное требование ко всем наночастицам — стабильность. Однако зачастую из-за тех же магнитных и гидрофобных свойств наночастицы подвержены агрегации и, как следствие, потере их уникальных свойств. Поэтому методы получения наночастиц нужно рассматривать вместе с методами их стабилизации. Особенно это важно для магнитных частиц совсем маленьких размеров (до 30 нм): они обладают высокой поверхностной энергией, поэтому очень активны по отношению к любой среде. А продукты побочных реакций на поверхности наночастиц существенно меняют их характеристики. Для того чтобы предотвратить взаимодействие частиц между собой и окружающей их средой, их необходимо помещать в немагнитные матрицы. При этом материал каркаса должен быть инертным или оказывать минимальное влияние на частицы. Часто для этой цели используют природные полимеры: хитин, хитозан, декстран, карбоксиметилцеллюлозу и другие. Они не только обладают необходимыми для матрицы свойствами, но абсолютно безопасны и пластичны. Полученные материалы демонстрируют интересные оптические, электрические, механические и магнитные свойства.
Еще один способ — «упаковка» в растворах полиэлектролитов за счет взаимодействия функциональных групп органических полимерных соединений с поверхностью частицы. Тогда у нанообъектов просто не остается возможности взаимодействовать друг с другом, так как они уже изолированы органической оболочкой. С помощью этого метода можно не только предотвратить агрегацию частиц, но и повысить их растворимость. Поэтому для каждой цели здесь необходим уникальный состав полиэлектролита.
Просто и органично
Все ранние результаты в области получения и применения магнитных наночастиц в медицине смогли проанализировать и усовершенствовать химики и физики Московского университета. Научный коллектив кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ под руководством старшего научного сотрудника, кандидата химических наук Василия Спиридонова не первый год создает композиты, представляющие собой наночастицы в полимерной матрице, а коллеги с кафедры радиохимии и физического факультета помогают изучать свойства полученных материалов. «Именно специфика строения наночастиц привела к созданию научной группы, разнообразной по научным интересам: подтверждение природы неорганической компоненты после получения конечного вещества невозможно без привлечения метода мёссбауэровской спектроскопии; а магнитные характеристики исследованы группой сотрудников кафедры магнетизма. Особенно хочется отметить, что подобное сотрудничество наших научных групп продолжается уже более 15 лет»,— рассказывает Василий Спиридонов.
В качестве основы для создания полимерного материала были выбраны альгинаты — производные альгиновой кислоты, содержащейся в бурых и красных водорослях. Они обладают высокой растворимостью, биосовместимостью и способностью разлагаться. Сочетание этих качеств и магнитных свойств наночастиц делает полученный металлоорганический каркас идельно подходящим под выбранные задачи.
Композиты синтезируются с помощью ультразвуковой обработки. Этот метод часто использовался ранее, но при работе с полимерами и наночастицами возникали определенные нюансы. «Природа используемой полимерной матрицы оказывает существенное влияние на размер стабилизируемых наночастиц, формирующихся в процессе обработки ультразвуком,— объясняет один из авторов работы, старший научный сотрудник, кандидат химических наук Андрей Сыбачин.— Это, в свою очередь, может привести к потере магнитных свойств или формированию ассоциатов из наночастиц, которые теряют свои свойства как нанообъекты. Поэтому в ходе экспериментов мы оценивали потенциальную возможность получения таких нанокомпозитов данным методом. Поскольку результат был успешным, исследование свойств получившейся композитной конструкции позволяет нам использовать эти данные в дальнейшем».
Ученые планируют продолжить работу не только над получением новых композитных материалов, но и над регулированием их параметров — например, содержания магнитной компоненты. Для этого они разрабатывают методы получения подобных соединений без ультразвука, путем непосредственного синтеза наночастиц в присутствии полимерной матрицы. Отдельно следует отметить, что регулируемый синтез планируется осуществлять при комнатной температуре. Также в планах провести исследования, которые ответят на вопросы о структуре получаемых нанокомпозитов и дадут более четкое представление о возможностях применения материалов.