Главная цель ученых из Университета ИТМО и Швейцарской высшей технической школы Цюриха — добиться безопасной визуализации раковых опухолей и поврежденных сосудов сердца и головного мозга. Разработанные наночастицы способны излучать видимый спектр под действием ультрафиолета и синего света, что позволит использовать их как контрастные вещества при съемке внутренних тканей.
Без подходящих маркеров изображения органов не показательны, однако оптически активные вещества, применяемые сегодня, имеют существенные недостатки. Так, органические агенты не универсальны и быстро расщепляются в организме. А неорганические соли и полупроводниковые наночастицы, называемые квантовыми точками, очень токсичны. Последние обладают уникальными люминесцентными свойствами, но из-за опасности для организма их можно использовать только при анализе клеток в пробирке.
По словам ученых Университета ИТМО, разработанные ими маркеры лишены недостатков квантовых точек и могут в будущем заменить их в медицинских приложениях. Новые наночастицы состоят из оксида гафния со встроенными в него ионами редкоземельных металлов, в частности европия и тербия. В этой системе редкоземельные элементы отвечают за люминесценцию, а оксид гафния играет роль прозрачной матрицы, поддерживающей это свечение.
Оксид гафния биоинертен и с 2015 года включен FDA в список оксидов, одобренных для инвазивного применения. Также в организм разрешено вводить некоторые формы оксидов железа и алюминия. Но последние, в отличие от гафния, поглощают свет, ухудшая люминесценцию.
Кроме того, атомы гафния и редкоземельных металлов близки по размеру, поэтому химикам удалось сохранить правильную кристаллическую структуру оксида, заменив часть ионов гафния на редкоземельные элементы. Так ученые не только придали наночастицам необходимые оптические свойства, но и смогли предотвратить их осаждение в биологических жидкостях с нейтральной средой.
Осаждение наночастиц в организме может привести к их накоплению в клетках и закупорке сосудов.
«Покрыть наночастицы стабилизатором мы не могли, ведь это бы снизило выход люминесценции, — рассказывает Александра Фурасова, первый автор статьи и сотрудница лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий Университета ИТМО. — Поэтому мы допировали оксид гафния ионами редкоземельных металлов. Во-первых, они привнесли дополнительный поверхностный заряд, позволивший частицам равномерно распределяться в биологических жидкостях. А во-вторых, вводя различные „редкие земли“, мы научились смещать спектр свечения наночастиц. Например, частицы с тербием дают зеленый свет, а с европием — красный. Такая настройка будет полезной для решения узких задач».
Поскольку оксиды редкоземельных элементов все же обладают слабой токсичностью, исследователи проверили, как они в составе частиц влияют на плазму крови и клеточные культуры. Для этого ученые добавляли наночастицы в биологические образцы. Оказалось, что частицы стабильны в крови и не изменяют ее консистенцию, а благодаря тому, что редкоземельные ионы прочно связаны в оксиде гафния, они не нарушают жизнедеятельность клеток, выращенных в насыщенной ими питательной среде.
«Для эксперимента мы выбрали легочные фибробласты и мезенхимальные стволовые клетки, поскольку первые наиболее распространены в соединительной ткани, а вторые могут превращаться в различные типы клеток. В течение трех суток мы наблюдали за жизненным циклом клеточных культур и не выявили токсических эффектов ни у чистых, ни у допированных наночастиц оксида гафния. То есть в перспективе их можно использовать в медицине», — поясняет сотрудница лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий Анна Фахардо.
В дальнейшем ученые планируют использовать наночастицы из оксида гафния не только для визуализации опухолей, но и для их терапии. Под воздействием рентгеновских лучей атомы тяжелых элементов, коими являются редкоземельные металлы и гафний, способны ионизировать молекулы воды вокруг себя. Те превращаются в так называемые свободные радикалы, которые начинают убивать соседние клетки. Этот метод борьбы с раком применяется единичными зарубежными компаниями и пока не может конкурировать с химиотерапией по цене, но считается более безопасным, поскольку с его помощью можно локально лечить опухоли, в том числе головного мозга.
Статья: Aleksandra D. Furasova, Anna F. Fakhardo, Valentin A. Milichko, Elena Tervoort, Markus Niederberger, Vladimir V. Vinogradov (2017), Synthesis of a rare-earth doped hafnia hydrosol: Towards injectable luminescent nanocolloids, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
