Созданы наночастицы, «подсвечивающие» раковую опухоль

Частицы способны беспрепятственно проникать в клетки

Группе российских и французских исследователей при участии ученых из МГУ имени М.В.Ломоносова впервые удалось синтезировать наночастицы из сверхчистого кремния, обладающие свойством эффективной фотолюминесценции, т.е. вторичного свечения после фотовозбуждения.

Раковые клетки, внутри которых — подсвеченные лазером наночастицы. Источник: Виктор Тимошенко/Scientific Reports

Эти частицы способны беспрепятственно проникать в клетки, что позволяет использовать их в качестве светящихся маркеров при ранней диагностике рака, а также при терапии этого заболевания. Статья ученых была опубликована в журнале Scientific Reports.

Исследования по поиску методов синтеза подобных наночастиц активно ведутся во многих лабораториях мира, однако, по словам одного из соавторов исследования, профессора физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова Виктора Тимошенко, их качество было неудовлетворительным — главным образом, потому, что синтезировали их методами проведения химических реакций в растворах кислот. «Частицы получались не достаточно чистыми, — говорит он, — на них оседали остатки химических реакций, что делало их токсичными. Вдобавок эти наночастицы имели форму, далекую от сферической, и это отнюдь не способствовало проявлению фотолюминесценции. И эти два недостатка сильно ограничивали их применение».

Чтобы избавиться от этих недостатков, ученые решили использовать другой метод, ранее приводивший не к самым положительным результатам — так называемую лазерную абляцию, то есть выбивание лазерным лучом из мишени атомов с тем, чтобы потом эти вырванные атомы соединялись между собой в нанокристалл. Проблема здесь заключалась в том, что вырванные атомы в этом случае чаще всего объединялись не в частицы, а в некие неупорядоченные слои, а если даже и получались наночастицы, то они не светились. Происходило это потому, что либо наночастицы были слишком большими, либо они чересчур быстро остывали и не успевали сформировать качественные нанокристаллы. Иными словами, необходимо было их разогреть, чтобы стимулировать кристаллизацию, причем на очень короткое время.

«Для этого мы решили использовать короткие импульсы лазерного излучения высокой интенсивности, — говорит профессор Тимошенко. — Они не только выбивали атомы из кремниевой мишени, но вдобавок ионизировали их. Вылетевшие из них электроны приводили к ионизации атомов гелия, в атмосфере которого все это происходило. На очень короткое время, исчисляемое наносекундами, возникало что-то вроде микроволновки, формировались условия лазерной плазмы, которые позволяли атомам спекаться в сферические наночастицы-кристаллы. Эти шарики падали на поверхность, где собирались в виде рыхлого слоя, который впоследствии можно легко диспергировать в воде».

Эти наночастицы имели шарообразную форму и были как раз того размера — 2-4 нанометра в диаметре, — который, как физикам хорошо было известно, обеспечивает кремнию эффективную фотолюминесценцию, при которой на один падающий фотон приходится один вылетевший. В отличие от наночастиц, полученных химическим травлением, они были лишены токсичных добавок. И что самое главное, как показали проведенные биологические эксперименты, они могли легко приникать в клетки. Причем, в раковые клетки такие наношарики проникают с куда большей готовностью, чем в здоровые. Это объясняется тем, что раковая клетка всегда готова к делению, всегда поглощает все, что находится рядом с ней, чтобы рождать дочерние клетки. По словам Виктора Тимошенко, в зависимости от типа клетки, раковые клетки обычно поглощают наночастицы на 20-30% процентов эффективнее, чем здоровые, и уже на этом может быть основана диагностика рака на ранней стадии его развития.

«Главным достижением нашей работы, — говорит Виктор Тимошенко, — было то, что мы получили такие наночастицы и установили, что они легко проникают в раковые клетки. Проблемы диагностики — отдельная задача, которая решается биологами параллельно, в том числе и с нашим участием. Можно, например, заменить анализ биопсии, довольно длительный и не слишком надежный, тестом "да-нет", при котором раковая клетка в изъятом из тела образце ткани распознается по тому, вошла в нее наночастица или не вошла. Возможны также неинвазивные методы диагностики. Фотолюминесцентный свет, излучаемый наночастицами, в этом случае использовать сложно, но их можно активировать другими способами, например, ультразвуком или радиочастотными электромагнитными волнами».

Наночастицы, полученные учеными, хороши тем, что они совершенно нетоксичны и легко выводятся из организма. Но этим их преимущество не ограничивается. Они также хороши тем, что к их поверхности можно прикреплять различные характерные вещества или группы биомолекул (например, антитела), позволяющие нацеливать их на проникновение именно в раковые клетки и тем самым увеличивать эффективность диагностики. По словам Виктора Тимошенко, в будущем к полученным наночастицам можно будет также прикреплять вещества-лекарства, что позволит не только распознать раковую опухоль, но и вести локальную химио- или радиотерапию на клеточном уровне.