Верите, что скоро врачи смогут одновременно осматривать и лечить, а потом ещё и покажут вам запись диагностики? Они уже могут, и помогают им в этом нанотехнологии! О российских разработках в области тераностики рассказывает научный сотрудник Курчатовского института и преподаватель физики Иван Крылов.
Многие учёные стремятся найти «волшебную таблетку», которая в одиночку решит серьёзную проблему. Представим, что есть технология, с помощью которой можно было бы сначала определить очаг заболевания, а затем начать его лечение. Или представлять и не нужно? На минуту перенесёмся в тело хирурга-онколога, которому предстоит сложнейшая операция по удалению опухоли, расположенной где-то внутри человеческого тела. Какого размера сделать разрез? Какой глубины? В этой работе вам не помогут даже высокоточные КТ или МРТ томографы: ни один из подобных инструментов не позволяет наблюдать опухоль в режиме реального времени.
Решают такие задачи флуоресцентные метки, светящиеся под воздействием лазерного луча. Время отклика на возбуждающий сигнал составляет миллисекунды, при этом сигнал от метки считывает камера, которая не сильно отличается от камеры в вашем смартфоне. Такая «неприхотливость» технологии позволяет размещать мониторы прямо в операционных, а сами камеры находятся прямо на поверхности скальпеля. К сожалению, последнее – скорее необходимость: свет видимого или инфракрасного диапазона проникает в биоткань на глубину не более 1-2 см, поэтому получить сигнал от глубоко находящихся меток невозможно. Тем не менее, если разместить камеру прямо на поверхности скальпеля, сигнал о расположении опухоли вы получите быстрее, чем увидите её глазами. Эти выигранные сантиметры позволяют вовремя скорректировать действия хирурга.
Применение люминесцентных меток выходит далеко за рамки визуализации опухолей. С их помощью оценивают скорость кровообращения и лимфотока, визуализируют воспаления, оценивают перфузию биоткани. Но нанотехнологии открыли миру ещё одно их удивительное применение – оказывается, можно создавать метки, которые подходят использовать не только для визуализации, но и для различных видов терапии. Один из видов подобных меток – апконвертирующие наночастицы – синтезируется и применяется в отечественных институтах: Курчатовском, РХТУ им. Менделеева, ИБХ РАН и некоторых других.
Такие частицы способны на короткое время накапливать энергию ближнего инфракрасного излучения, а затем избавляться от неё. Апконвертирующие наночастицы «принимают» энергию в так называемом «окне прозрачности» биоткани. По сравнению с видимым или УФ-диапазоном, инфракрасное излучение поглощается биотканями слабее, что позволяет эффективно работать на глубине порядка 2 сантиметров.
Итак, апконвертирующие наночастицы – это маленькие аккумуляторы, способные накапливать энергию. Эту энергию удобно без повреждений доставлять внутрь тканей на глубину нескольких сантиметров. Часть накопленной энергии излучается в виде света – поэтому мы можем видеть изменения в режиме реального времени. А как ещё можно использовать эту энергию?
Самый простой способ – перевести её в тепловую. Обычно тепловые потери – нежелательная часть любого процесса, и с ней борются всеми возможными средствами. Здесь же такие потери играют учёным на руку. Тепловое воздействие на опухоль может выступать как самостоятельным методом лечения, так и вспомогательным инструментом. Мне очень нравится термин «неаддитивность воздействия» – перегревая опухоль, мы истощаем её ресурсы обороны, и каждое дополнительное воздействие становится более эффективным.
Схожая идея лежит в основе капсул на основе термочувствительных полимеров, которые разрушаются при превышении некоторой температуры. В такую капсулу загружаются активные вещества (например, цитостатический препарат доксорубицин), а в оболочку вместе с полимером встраиваются апконвертирующие наночастицы. С их помощью мы можем отслеживать нахождение капсулы, а в нужный момент, когда капсула окажется внутри опухоли, облучить её интенсивным ИК-излучением, повысив температуру оболочки выше критической, что приведет к разрушению капсулы и высвобождению активного вещества. В данном случае это не просто доставка лекарства, когда мы отправили посылку по нужному «адресу» и надеемся, что она дойдёт. Это современная почта с мобильным приложением: в любой момент времени можно узнать, где именно находится наш груз, и в случае необходимости дистанционно и неинвазивно (то есть без хирургического вмешательства) его активировать.
Использование аккумулированной частицами энергии для теплового воздействия – лишь малая часть от всего многообразия применений. Успешно создаются сложные нанокомплексы, состоящие из нескольких функциональных элементов, в которых апконвертирующие наночастицы выполняют роль посредников при транспорте энергии. Таким функциональным элементом могут быть другие наночастицы, органические и неорганические соединения, даже витамины: энергетические уровни апконвертирующих наночастиц очень удачно совпадают с энергетическими уровнями витамина В2 (рибофлавина), который, в свою очередь, способен обмениваться энергией с окружающим его кислородом, переводя кислород в так называемую активную форму (активные формы кислорода – АФК).
Если такие нанокомплексы доставить в опухоль, то генерация АФК становится точечным ударом по опухоли. Применение АФК для борьбы со злокачественными образованиями получило название фотодинамической терапии (ФДТ), метод применяется в клинической практике при лечении некоторых опухолей с поверхностной локализацией.
