Исследователи из МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с коллегами из Йенского университета Фридриха Шиллера (Friedrich-Schiller-Universität Jena) и Йенского института фотонных технологий (IPHT) сумели доказать применимость кремниевых наночастиц для диагностики и лечения рака. Учёные впервые продемонстрировали их способность эффективно проникать в больные клетки и, выпустив заключённое в них лекарство, быстро разлагаться, не накапливаясь в организме.
Направление, в котором работают учёные, называется тераностикой. Необычное слово обозначает процесс одновременной диагностики болезни и её лечения. Одно из её применений — выявление и лечение ряда онкологических заболеваний с помощью наночастиц, наполненных лекарством и адресно попадающих внутрь клетки опухоли. Но сегодня многие из таких наночастиц не отвечают требованию биосовместимости. По словам одного из участников исследования Любови Осминкиной, старшего научного сотрудника физфака МГУ, при вводе в организм наночастицы действуют быстро, попадают куда нужно, вылечивают то или иное заболевание, однако спустя месяцы у пациента начинают болеть печень, почки, лёгкие и даже голова.
"Всё потому, что наночастицы золота, серебра, оксида титана, селенида кадмия и огромное множество других фактически из организма не выводятся, — поясняет Осминкина. — При попадании в кровоток они застревают во внутренних органах и спустя некоторое время начинают наносить вред организму за счёт пролонгированных токсических эффектов".
В поисках не только биосовместимых, но и биодеградируемых транспортировщиков для адресной доставки лекарств учёные обратили внимание на кремний. Наночастицы, "сотканные" из него, точно не повредят организму — и даже помогут, — поскольку результатом их распада является кремниевая кислота, необходимая организму для укрепления костей и роста соединительных тканей.
Как раз этими наночастицами и занималась Осминкина, когда получила в 2013 году грант DAAD-МГУ "Владимир Вернадский" для получения фотолюминесцентных наночастиц из пористых кремниевых нанонитей для тераностики.
Работать она поехала в Йену, в Институт фотонных технологий. Особое внимание молодой сотрудницы МГУ привлекла рамановская микроспектроскопия. В её основе лежит способность молекул к так называемому неупругому рассеянию монохроматического света, которое сопровождается изменением их внутреннего состояния и, соответственно, изменением частоты излучаемых в ответ фотонов (элементарных частиц света).
Этот вид спектроскопии отличает относительная простота и обилие получаемой информации — достаточно осветить вещество лазером и проанализировать спектр полученного излучения. С её помощью учёные сканировали содержимое живой клетки и, сравнивая полученные спектры, выстраивали картину того, что и где в ней находится.
"Эта методика позволяла не только определить местонахождение наночастицы в клетке (сигналы от кремния и компонентов клетки находятся на различных частотах), но и наблюдать за процессом её распада. Последнее стало возможно потому, что, как уже было известно, рамановский спектр от кремниевой наночастицы зависит от её размера — чем она меньше, тем он становится шире и сдвигается в сторону более низких частот", — говорит учёный.
Осминкина выигрыла ещё один грант DAAD-МГУ — теперь на реализацию своей новой идеи. Суть нового исследования Осминкиной и её коллег сводилась к тому, что в клетки рака молочной железы внедрялись кремниевые наночастицы размером 100 нанометров и затем, в частности, с помощью рамановского микроспектрометра учёные наблюдали за происходящим в клетках в течение различного времени: от пяти часов до 13 суток. По рамановским спектрам и восстановленным из них изображениям частиц и клеток они увидели, как в первые пять-девять часов наночастицы локализуются на клеточных мембранах, за последующие сутки проникают внутрь клетки и потом начинают биодеградировать, о чём свидетельствовало уменьшение амплитуды сигнала, расширение спектра и появление пика от аморфной фазы кремния. На 13-е сутки наночастицы полностью растворяются и сигнал пропадает.
"Таким образом, — говорит Осминкина, — мы впервые доказали, что пористые кремниевые наночастицы могут служить совершенно безвредным для организма агентом для тераностики многих онкологических заболеваний. Они не только легко проникают в больную клетку, но, если их напитать через поры лекарством, могут выпускать его в ней в процессе своего распада. Считаю, что результаты нашей работы имеют огромное значение в перспективе создания лекарств на основе биосовместимых и биодеградируемых наночастиц кремния".
Результаты исследования были опубликованы в научном издании Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine.
