Сибирские ученые помогли создать эффективное оружие против метастазов

Группа американских и российских ученых создала мельчайшие плазмонные нанолазеры (спазеры), которые найдут применение в диагностике и лечении онкологических заболеваний. Эти наночастицы смогут находить раковые клетки, приклеиваться к ним и уничтожать их, не трогая здоровые клетки.
Сибирские ученые помогли создать эффективное оружие против метастазов
Фото: Shutterstock/FOTODOM /
3 минуты

Группа американских и российских ученых создала мельчайшие плазмонные нанолазеры (спазеры), которые найдут применение в диагностике и лечении онкологических заболеваний. Эти наночастицы смогут находить раковые клетки, приклеиваться к ним и уничтожать их, не трогая здоровые клетки. 

Исследователи из Арканзасского университета медицинских наук, США (University of Arkansas for Medical Sciences), Института автоматики и электрометрии СО РАН, Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН и Университета штата Джорджия, США (Georgia State University), разработали 22-нанометровый спазер, способный генерировать когерентное оптическое излучение непосредственно внутри живых клеток и тканей организма. Результаты работы опубликованы в Nature Communications.

Спазер предлагается использовать в качестве сверхъяркого водорастворимого биологически совместимого зонда, чтобы «охотиться» на раковые клетки. Этот плазмонный нанолазер складывается из нескольких составляющих: резонатора, представляющего собой частицу золота, которая поддерживает плазмонный резонанс, и изоионной изопористой оболочки, заполненной красителем. В данном случае используется краситель уранин: он излучает в области 520—530 нанометров, что совпадает с плазмонным резонансом золотой наночастицы, хорошо растворим в воде и физиологическом растворе, благодаря чему широко используется в медицине.

Исследование показало, что спазер можно использовать в качестве оптического зонда, и, когда он высвобождается в организме (возможно, путем инъекции или если проглотить раствор), он может обнаруживать циркулирующие опухолевые клетки, прилипать к их поверхности и уничтожать их, предотвращая образование метастазов. 

К оболочке «пришивается» фолиевая кислота — таким образом спазер воздействует только на раковые клетки и не взаимодействует со здоровыми. Фолатный рецептор обычно экспрессируется на поверхности большинства раковых клеток человека, и слабо экспрессируется в нормальных клетках. Когда эти плазменные нанолазеры вводятся в организм, сначала они поодиночке или небольшими группами скапливаются на границе мембраны раковой клетки. А затем, после десятиминутной выдержки, проникают в цитоплазму. При этом они нагреваются, и их становится легко визуализировать с помощью различных оптических методов.

«Мы продемонстрировали режим генерации, связанный с формированием вокруг этого спазера динамического нанопузырька, что приводит к гигантскому лазерному эффекту с интенсивностью излучения в 100 раз большей и спектральной шириной раз в 30 ýже, чем для квантовых точек», — говорит заведующий лабораторией физики лазеров Института автоматики и электрометрии СО РАН доктор физико-математических наук Александр Иванович Плеханов.

Спазеры могут не только визуализировать раковые клетки, но и убивать их. При значительном превышении порога генерации излучения, за счет того, что металлическая сердцевина поглощает его, вокруг плазмона образуется нанопузырек пара, который и разрушает опасную клетку, — сначала цитоплазму, потом мембрану. Причем всё это работает при энергиях даже ниже, чем требуется по стандартам лазерной безопасности.

«Мы изучили цитотоксичность наших спазеров на растворе с клетками рака молочной железы и выяснили: их содержание вплоть до десяти миллиграммов на миллилитр раствора (для достижения терапевтического эффекта необходимо гораздо меньше) не является опасным, — комментирует Александр Плеханов. — То есть когда спазеры заходят в раковую клетку, они ее не убивают. Но если воздействовать лазерным излучением, то она гибнет — из-за того, что образующаяся конструкция разрывает раковую клетку изнутри. В то же время они не реагируют на нормальную клетку, независимо от того, есть там лазерное излучение или нет».

Диагностический потенциал спазеров продемонстрирован и in vitro в пробирке, и в экспериментах in vivo на мышах — отмеченные раковые клетки в токах крови и лимфы отлично видны через живую ткань. «Таким образом, мы продемонстрировали универсальные функциональные возможности спазеров в различных биологических условиях (клеточные цитоплазмы, пробирки, ткани мышей в естественных условиях) и установили, что спазеры могут служить в качестве малотоксичных зондов с молекулярной специфичностью и высокой спектральной яркостью, которой невозможно достичь с помощью квантовых точек. Удалось показать эффективность плазмонных нанолазеров как фототепловых и фотоакустических контрастных средств диагностики и терапии», — говорит Александр Плеханов.

Сейчас исследователи работают над тем, чтобы сделать спазер, который работал бы в инфракрасной области. Тогда станет возможным улучшить некоторые показатели, например такие, как прозрачность тканей.

Ученые считают, что эта разработка, основанная на принципах высококонтрастной визуализации, имеет огромные перспективы как в диагностике, так и в терапии онкологических заболеваний. С помощью всего нескольких лазерных импульсов будет возможно уничтожение фототермальным способом только раковых клеток, без повреждения здоровых тканей. Возможность уничтожать клетки, образующие метастазы, может совершить революцию в лечении онкологических заболеваний, так как рак на стадии метастазирования до сих пор в большинстве случаев не может быть вылечен существующими методами и лекарствами.

Комментарии Cackle
Что значит «близкий контакт» с инфицированным COVID-19 Эпидемия Что значит «близкий контакт» с инфицированным COVID-19
В CDC считают, что контакты менее 15 минут нужно тоже учитывать
Какие факторы риска болезней сердца можно увидеть невооруженным глазом Здоровье Какие факторы риска болезней сердца можно увидеть невооруженным глазом
Иногда спрогнозировать будущее сердца можно без сложных формул

Подпишитесь на наши новости, чтобы получать их первыми