Ученые Университета ИТМО нашли способ неинвазивно высвобождать лекарственный препарат из полимерных носителей внутри раковых клеток

Концепция построена на взаимодействии резонансных полупроводниковых наночастиц — оксида железа (Fe2O3) со светом. Они способны локально нагреваться от воздействия лазера и преобразовывать получаемый свет в тепло. Если такими резонансными частицами модифицировать оболочку полимерных контейнеров (капсул), которые используются в качестве средств для доставки биоактивных веществ в клетки  и облучить их лазером, то из-за тепла произойдет деформация полимерных капсул и дистанционное высвобождение лекарств в нужном месте в нужное время. Исследование опубликовано в журнале Laser and Photonics Reviews.

Схема взаимодействия резонансных полупроводниковых наночастиц со светом. Источник: научная статья в Laser and Photonics Reviews

Над исследованием в области неинвазивного раскрытия капсул с лекарствами в раковых клетках при помощи оптического излучения работала международная команда физиков, химиков и биологов. За синтез и оптическую характеризацию наночастиц оксида железа отвечали ученые Университета ИТМО, французские коллеги помогли составить полный спектр характеризаций структур оксида железа, который используется в качестве полупроводниковой наночастицы. Коллеги из Китая помогли визуализировать процесс вскрытия капсул с лекарством, а сотрудники Первого мединского университета Санкт-Петербурга провели биологические эксперименты по доставке противоопухолевого препарата в первичные опухолевые клетки.

В настоящее время существуют противоопухолевые лекарственные препараты, которые способны эффективно бороться со злокачественными новообразованиями. Но, к сожалению, они направлены не только в отношении пораженных клеток и тканей, но и в отношении здоровых. Поэтому необходимы новые подходы для борьбы с раком. Одним из таких подходов является доставка лекарственных препаратов с помощью микро- и наночастиц, при которой создаются локально высокие концентрации препарата в зоне опухоли при минимальных системных концентрациях во всем организме.

Стадии разработки полимерных капсул с использованием наночастиц оксида железа. Источник: научная статья в Laser and Photonics Reviews
Стадии разработки полимерных капсул с использованием наночастиц оксида железа. Источник: научная статья в Laser and Photonics Reviews

Идея доставки лекарств с помощью нано- и микрочастиц заключается в следующем: частицы, загруженные лекарством, вводятся в организм и накапливаются в зоне опухоли. Чтобы неинвазивно высвободить лекарственный препарат, необходимо сделать частицы-носители светочувствительными. Для этого можно использовать резонансные полупроводниковые наночастицы из оксида железа, которыми модифицируются полимерные контейнеры (капсулы). Далее при облучении модифицированных полимерных контейнеров наночастицы оксида железа нагреются и лекарство неинвазивно высвободится.

Более того, преимущество оксида железа состоит том, что этот материал не только эффективный нанонагреватель, но и локальный нанотермометр. То есть при нагреве частиц можно контролировать температуру, тем самым предотвращая чрезмерный нагрев здоровых клеток и тканей. 

Михаил Зюзин
Михаил Зюзин

«Мы протестировали наши системы для доставки лекарств in vitro на стволовых и опухолевых клетках. Стволовые клетки в этом эксперименте были использованы как модель здоровых клеток,а опухолевые клетки как модель больных клеток. В качестве контроля клетки были просто облучены лазером с теми же параметрами. В итоге действие противоопухолевого лекарства было направлено в отношении опухолевых клеток при облучении их лазером, в то время как в отношении здоровых клеток практически не наблюдалась токсичность лекарств. Контрольные клетки также выжили по окончании эксперимента, что говорит о том, что опухолевые клетки погибли в результате высвобождения лекарства. Таким образом были созданы эффективные светочувствительные системы для доставки лекарств в клетки», — рассказал Михаил Зюзин, соавтор исследования, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.

Разработанные системы для доставки лекарств в клетки могут быть использованы как локальные нанотермометры, что делает их многофункциональными. 

Георгий Зограф
Георгий Зограф

«Наночастицы в данном случае выступают как преобразователи света в тепло и одновременно как термометр. Дело в том, что измерить температуру традиционными способами на таких маленьких объектах крайне сложно. Например, есть разные методики, которые используют красители, которые при достижении определенной температуры выгорают и перестают светить. Но проблема в том, что это не многоразовая термометрия, а также она бинарна, то есть мы можем понять только: это выше какой-то температуры или ниже — да или нет. Конкретных показателей там не будет. А полупроводниковые наночастицы эффективно поглощают свет и преобразуют его в тепло. Из-за этого у него начинает немного меняться частота колебания кристаллической решетки и иначе начинает рассеиваться свет. По этим изменениям мы можем определить то, насколько мы нагрели частицу, а также видим на спектрометре эти данные», — объяснил Георгий Зограф, первый автор статьи, аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО.

Исследователи намерены продолжать работу и развивать полученные результаты. В перспективе запланировано проведение доклинических исследований на лабораторных животных in vivo.

Статья: George P. Zograf  Alexander S. Timin  Albert R. Muslimov  Ivan I. Shishkin  Alexandre Nominé  Jaafar Ghanbaja  Pintu Ghosh  Qiang Li  Mikhail V. Zyuzin  Sergey V. Makarov, All‐Optical Nanoscale Heating and Thermometry with Resonant Dielectric Nanoparticles for Controllable Drug Release in Living Cells, Laser & Photonics Reviews, 2020.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба