Наночастицы в раковых опухолях

Крошечные наночастицы, в разы тоньше человеческого волоса, могут помочь иммунной системе человека в борьбе с опухолями. Об этом рассказывает новое исследование , где в ходе эксперимента на мышах терапия с использованием наночастиц не только полностью уничтожила целевые опухоли молочной железы, но и избавила организм от метастазов в других частях тела. Клинические испытания, как уверяют исследователи, начнутся уже в ближайшие месяцы.

Тем не менее, существующие на сегодняшний день препараты эффективны только в 20−30% случаев. В некоторых случаях, даже когда КПП-молекулы заблокированы, вокруг оказывается недостаточно Т-клеток, и сигнал до иммунной системы не доходит, говорит Джедд Вулок, эксперт по раковой иммунотерапии из Memorial Sloan Kettering Cancer Center в Нью-Йорке. По его словам, другая частая проблема — это отсутствие на поверхности опухолевых клеток антигенов-мишеней, на которые и реагируют Т-клетки.

Однако эти проблемы, на первый взгляд практически не связанные друг с другом, в итоге натолкнули медиков на методику значительно увеличения эффективности иммунотерапии. Онкологам было известно, что после того, как пациент получает дозу облучения во время лучевой терапии, иммунная система ответит агрессивной реакцией, которая уничтожает не только опухоли, но и метастазы в тех областях, которые облучению не подвергались. Теперь исследователи полагают, что облучение иногда убивает некоторые опухолевые клетки так, что те выделяют антигены, на которые и реагируют Т-клетки.

Так выглядят разрозненные раковые клетки под электронным микроскопом

Вэньбинь Лин, химик из Университета Чикаго в штате Иллинойс, и соавтор исследования, решил изучить э тот процесс и узнать, может ли он использовать нетоксичные наночастицы для сенсибилизации иммунной системы аналогичным образом. Это не так просто, как может показаться: если частицы будут слишком большими, клетки-макрофаги попросту поглотят и утилизируют их как инородные элементы. К тому же, белки крови часто коагулируют с различными частицами, облегчая их поглощение. За последние несколько лет команда Ли разработала новый метод получения частиц, размер которых колеблется от 20 до 40 нанометров — наиболее выгодный диапазон для того, чтобы их не могли засечь макрофаги. Помимо этого, частицы покрыты оболочкой из полиэтиленгликоля, который помогает им сохранять целостность во время циркуляции крови и успешно проникать в клетки-мишени. И, наконец, на внутренней стороне частицы оснащены светопоглощающими, хлорсодержащими молекулами, которые и превращают наночастицы в убийцы опухолей.

В предыдущих исследованиях ученые обнаружили, что после попадания в кровь наночастицы могут циркулировать в ней достаточно долго, прежде чем они найдут свою цель. Из-за того, что опухоли обычно обладают дырявой, деформированной сосудистой сетью, частицы могут просачиваться прямо в пораженную раком ткань и внедряться в сами опухолевые клетки. После того, как они будут поглощены, медики направляют на зону рядом с опухолью пучок инфракрасного света. Этот свет поглощается хлорсодержащими молекулами, которые потом возбуждают соседние молекулы кислорода, переводя его в высокоактивную форму, которая и разрывает соседние биомолекулы, уничтожая опухоль на корню.

• 
  

Исследователи из США, Японии и Вьетнама внедрили в извлечённую опухоль яичников наночастицы и подвергли мощному рентгеновскому облучению

По статистике Всемирной организации здравоохранения, заболеваемость раком из года в год растёт. В прошлом году от карциномы (вид злокачественной опухоли) погибли 10 миллионов человек. Это население средней европейской страны.

Статистика смертности показала, что после заболеваний сердечно-сосудистой и дыхательной систем рак – самая опасная болезнь в мире. Несмотря на это, врачи из разных стран мира работают над новыми методами лечения карциномы.

Один из последних методов разработала группа учёных из Японии, Вьетнама и США. Они изобрели наночастицы, которые при обычном рентгене создают пучки электронов. Эти наночастицы способны точечно уничтожать раковые опухоли.

Фото: Kateryna Kon / Shutterstock.com

Наша методика позволит нам очень выборочно усиливать эффект от действия рентгеновского излучения на опухоль. Это ликвидирует главный недостаток современной лучевой терапии – очень небольшая часть ионизирующего излучения попадает в само новообразование,

– отмечает один из разработчиков Котаро Мацумото.

Последние опыты с применением наночастиц для борьбы с раком выявили два взаимодополняющих метода. Часть этих частиц доставляет токсины и другие опасные вещества в опухоль, не угрожая здоровым тканям.

Японский исследователь Мацумото и его партнёры изобрели ещё один способ использования этих наночастиц. Дело в том, что редкоземельные элементы (гадолиний), из которых сделаны наночастицы, поглощают рентгеновские лучи в очень маленькой части спектра. Когда гадолиний облучают рентгеном, он вырабатывает пучки электронов высоких энергий. Последние могут уничтожать белки, ДНК и другие важные молекулы на небольшом расстоянии от наночастиц.

Фото: Berti HANNA/Globallookpress

В данном исследовании сила рака используется против него. Известно, что раковые клетки обладают очень большим метаболизмом. Опухоль буквально высасывает силы из организма. Поражённые клетки в связи с этим стремительно поглощают наночастицы и накапливают их внутри себя. Благодаря этому свойству учёные смогли применить гадолиний и рентген для точечной ликвидации злокачественной опухоли.

Основываясь на этой теории, медики из трёх стран синтезировали полые сферы из кремния и наполнили их гадолинием. Наночастицы внедрили в заранее извлечённую опухоль яичников. Когда раковые клетки поглотили наносферы, их облучили мощным рентгеном. Операция длилась примерно час. И уже через два дня клетки рака умерли.

На днях стало известно ещё об одном методе борьбы с раком. Специалисты из Лондонского университета королевы Марии пришли к выводу, что комбинирование химиотерапии и иммунотерапии в разы повышает шансы на излечение трижды негативного рака – самого опасного вида рака груди у женщин.

Врачи открыли белок βGBP, который повышает иммунитет, уничтожающий раковые клетки. Этот белок не только атакует и разрушает злокачественные клетки, но и гарантирует на долгое время защиту от рецидива.

Разные виды наночастиц могут быть как средством онкодиагностики, так и помощниками в истреблении раковых клеток.

В последнее время в качестве такого диагностического средства все чаще пытаются использовать наночастицы. Перед органическими соединениями у них есть преимущество: органические вещества недолговечны и быстро расщепляются, наночастицы же остаются в организме долго и их можно использовать в самых разных органах и тканях. Однако с ними есть проблема – наночастицы не всегда безопасны. Например, известные полупроводниковые наночастицы, называемые квантовыми точками, обладают уникальными люминесцентными свойствами (то есть субстрат, с которым они связались, можно обнаружить по свечению), но они притом довольно токсичны, так что использовать их можно только при анализе клеток в пробирке.

Исследователи из Университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали наночастицы, которые отличаются от квантовых точек в выгодную сторону. Они состоят из оксида гафния со встроенными в него ионами редкоземельных металлов, в частности, европия и тербия: редкоземельные элементы отвечают за люминесценцию, а оксид гафния играет роль прозрачной матрицы, поддерживающей это свечение. Преимущество же их в том, что оксид гафния никак не вредит клеткам.

С другой стороны, редкоземельные элементы схожи по размеру атомов с гафнием, так что в кристаллической решетке наночастиц гафний местами заменили на них. Такие замены позволяют менять спектр свечения: например, частицы с тербием дают зеленый свет, а с европием – красный. Частицы с разной светимостью могут быть полезны для решения узких задач.

Кроме того, наночастицы, благодаря заменам одних атомов на другие, получают дополнительный поверхностный заряд, так что они не слипаются, а равномерно распределяются в биологических жидкостях. (Это значит, например, что они не будут закупоривать сосуды.)

Редкоземельные элементы сами по себе все-таки токсичны, однако, будучи встроены в решетку оксида гафния, клеткам они не вредят. В статье в Colloids and Surfaces B: Biointerfaces авторы пишут, что такие наночастицы можно использовать как для визуализации опухолей, так и для детекции сосудистых повреждений при инфарктах и инсультах. В перспективе же они, возможно, пригодятся не только для диагностики, но и для лечения: под действием рентгеновских лучей гафний и редкоземельные элементы ионизируют вокруг себя молекулы воды, а те превращаются в агрессивные свободные радикалы, способные убить раковые клетки.

Эксперименты с лекарственными препаратами на основе TRAIL неожиданно показали, что его эффективность зависит от того, какие механические силы действуют на раковые клетки: если они находятся под действием гидродинамических сил, которые их тянут и растягивают, то чувствительность к иммунному белку у них повышается.

Значит, для большего терапевтического эффекта нужно усилить механическое воздействие на клетки. Для этого и понадобились наночастицы. Их сделали из биоразлагаемого полимера PLGA (poly(lactic-co-glycolic acid)) и покрыли другим полимером, полиэтиленгликолем, к которому присоединили антитела, связывающиеся со специфическими белками раковых клеток. Частицы, введенные кровь, прилипали к метастазным опухолевым клеткам, и из-за того, что клетки находились в потоке крови, наночастицы многократно усиливали гидродинамические силы, действующие на клеточную мембрану.

У мышей, которым вводили наночастицы, а потом добавляли еще лекарство с белком TRAIL, количество метастазных клеток резко уменьшалось, и также уменьшалось количество новых опухолей. В экспериментах использовали частицы размером от 100 нанометров до 1 микрометра, и оказалось, что чем частицы больше, тем они эффективнее. Также важно было, чтобы их достаточно много садилось на клеточную мембрану. Предположительно, тут все дело в том, что наночастицы под действием гидродинамических сил делают нужные рецепторы на мембране раковых более доступными для иммунитета.

По словам авторов работы, обычные клетки никак не страдали от наночастиц, которые, видимо, достаточно точно могли отличать здоровые клетки от больных. В перспективе их хотят испытать с другими иммуннотерапевтическими средствами, чтобы найти наиболее эффективный метод лечения.

Рак является причиной смерти №1 в мире.

На протяжении долгих десятилетий ученые разрабатывают противоопухолевые вакцины, вирусы, наночастицы и иммунотерапию для лечения рака.

Но насколько мы близки к победе над смертельной болезнью?

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) отмечает, что каждая шестая смерть на планете связана с онкологическими заболеваниями. Только в России за 2015 году от рака умерло почти 287 тысяч человек, в США — почти 600 тысяч.

Сегодня наиболее распространенными видами лечения рака являются лучевая терапия, химиотерапия, хирургическое лечение и — в случае рака предстательной железы и рака молочной железы — еще и гормональная терапия.

На фоне традиционного лечения набирают силу новые, способные существенно улучшить результаты, а зачастую имеющие меньше побочных эффектов.

- Побочные эффекты агрессивной терапии
- Частые рецидивы заболевания после операции
- Устойчивость опухолей к химиопрепаратам

Сегодня мы расскажем о самых последних исследованиях рака, которые позволяют надеяться на скорую победу над болезнью и появление эффективной профилактики.

Иммунотерапия рака

Если раньше наука оказалась бы бессильной, то сегодня ответ нашелся быстро: новые препараты для иммунотерапии рака блокируют молекулы, маскирующие опухоль, тем самым полностью восстанавливая контроль иммунной системы над болезнью.

Терапевтические вирусы и вакцины против рака

В январе 2018 мы рассказывали о достижении швейцарских ученых, которые обучают дендритные вакцины прямо в теле пациента. Для этого достаточно ввести в клетку особые пузырьки (везикулы) с антигенами рака, и она начинает распознавать чужака.

В последнее время врачи понимают, что иммунотерапия наилучшим образом работает в тандеме с химиотерапией. Особенно, если курс химиотерапии предшествует назначению иммунотерапевтических средств. Проблема заключается в том, что эта комбинация увеличивает вероятность побочных эффектов.

Ученые из двух ведущих институтов Северной Каролины (США) нашли решение. Разработанный в начале 2018 года гелеобразный материал может использоваться для доставки химиотерапии и иммунотерапии в опухоль, без системных реакций.

Наночастицы доставляют химиопрепараты

Если говорить о точности доставки химиопрепаратов и обнаружении невидимых микроопухолей, то настоящую революцию в этом деле произвели нанотехнологии.

Наночастицы — это крошечные частицы, соизмеримые по своим размерам с молекулами. Они широко используются в разных областях медицины, включая диагностику и лечение рака. По мнению ведущих онкологов США, следующие 10 лет сделают наночастицы повседневной реальностью онкологии.

В чем секрет их успеха?

Начнем с главного: убить рак огромной дозой токсичного химиопрепарата, в принципе, не проблема. Проблема — не убить при этом человека.

Наночастицы служат идеальными транспортными средствами для доставки химиотерапевтических средств по нужному адресу. Чем точнее доставка яда, тем меньше его потребуется для лечения.

Тем ниже риск общих (системных) побочных явлений.

Но есть и другие области применения наночастиц. Например, их можно использовать для гипертермии, когда частицы сначала насыщают опухоли, а затем под действием внешнего излучения нагреваются, вызывая массовую гибель раковых клеток.

Врачи заставят рак голодать

Другая стратегия, недавно предложенная учеными – лишать рак питательных веществ, необходимых для бесконтрольного деления клеток и роста опухоли.

Авторы первого проекта научились лишать рак глутамина – жизненно важной аминокислоты, которую активно используют опухоли легких, груди и кишечника. Блокируя доступ клеток к глутамину, исследователям удалось усилить окислительный стресс и уменьшить опухоли.

Второй способ победить рак молочной железы – это лишить опухолевые клетки эссенциального фермента, который помогает им вырабатывать энергию.

Что обещают нам исследования рака?

Исследования рака проводятся на полной скорости, с применением всех доступных технических достижений Большинство из этих проектов все еще находятся на ранней стадии экспериментов in vitro и in vivo. Им предстоит пройти долгий путь до клинических испытаний на пациентах.

Это не значит, что мы должны потерять надежду.

Медицина находится на том этапе, где можно утверждать: рак излечим.

Остальное – это вопрос техники и нескольких лет времени.

Константин Моканов: магистр фармации и профессиональный медицинский переводчик

Большинство используемых сегодня противоопухолевых препаратов — неспецифические, не адресные. Многие из них очень ядовиты, у них серьезные побочные эффекты; другие плохо растворяются и плохо проникают в опухолевые клетки; третьи — слабо биосовместимы. Вместо того чтобы губить только злокачественные клетки, такие препараты убивают и здоровые. Выход — адресная, таргетная терапия, которая блокирует рост раковых клеток с помощью попадания конкретных молекул точно в цель.

Команда биохимических и клеточных исследований Института проблем химической физики РАН — Артур Гизатуллин, Надежда Дремова, Владимир Торбов, Александр Жиленков, Павел Трошин, Наталья Санина, Сергей Алдошин, Яна Нидер, Оскар Сильвестр и Олександр Савчук — разрабатывает технологии адресной доставки лекарственных средств и диагностических субстанций. Доставка таких препаратов в специальных наночастицах-капсулах обеспечивает более эффективное действие лекарства, позволяет снижать его дозировку и не наносит вреда здоровым клеткам. Особенно актуально применение таких технологий в онкологии при проведении химиотерапии.

Команде удалось создать многослойные наночастицы, состоящие из биополимерного носителя хитозана, гиалуроновой кислоты и инкапсулированных противоопухолевых препаратов, которые работают сразу в трех направлениях: тканевого, клеточного и молекулярного таргетинга.

Тканевый таргетинг осуществляется за счет дизайна наночастиц специального размера (примерно 100 нм), определенной формы и поверхностного слоя в виде гиалуроновой кислоты, что позволяет наночастицам связываться с опухолевой тканью и увеличивает время циркуляции наночастиц в кровеносных сосудах опухолей.

В качестве носителя в наночастицах используется хитозан. Один из источников хитозана — панцири ракообразных. Это высококатионный, нетоксичный, биосовместимый и биодеградируемый материал. Из-за своей катионной природы хитозан способен образовывать нерастворимые комплексы с анионным полисахаридом — гиалуроновой кислотой. Наночастицы на основе хитозана способны длительно выполнять необходимую функцию в организме человека и затем разлагаться и выводиться из организма, не причиняя вреда.

Фото: Институт проблем химической физики РАН

Активная таргетная доставка лекарственных препаратов осуществляется на основе отрицательно заряженного полимера гиалуроновой кислоты в качестве вектора доставки. Гиалуроновая кислота — это несульфированный глюкозоаминогликан, входящий в состав соединительной, эпителиальной и нервной тканей. Гиалуроновая кислота — один из основных компонентов внеклеточного матрикса, содержится во многих биологических жидкостях (слюне, синовиальной жидкости и др.). Она может обеспечить защиту доставляемого лекарственного препарата и улучшить растворимость гидрофобных лекарств.

Кроме того, гиалуроновая кислота — физиологический лиганд RHAMM (рецептор гиалуронан опосредованной подвижности), поэтому хорошо взаимодействует с этим рецептором на поверхности мембраны опухолевых клеток, обеспечивая селективность доставки препарата в клетку. В настоящее время известно, что RHAMM-рецептор синтезируется в избытке в агрессивных раковых клетках — рака груди, простаты, при солидных опухолях, миелоидной лейкемии, множественной миеломе и других. В то же время в нормальных клетках этот рецептор содержится в незначительном количестве. Известно, что повышенный синтез RHAMM-рецептора коррелирует с плохим прогностическим фактором. Известно также, что RHAMM-рецептор участвует в делении, регуляции подвижности, миграции и инвазивности раковых клеток, то есть образовании метастазов. Наночастицы на основе гиалуроновой кислоты способны узнавать RHAMM-экспрессирующие клетки и, таким образом, точно доставлять связанные с частицами лекарственные препараты внутрь раковой клетки.

Фото: Институт проблем химической физики РАН

Эта стратегия клеточного таргетинга позволяет забраться прямо в опухолевые клетки, а не концентрировать лекарство в почках, печени и затем выводить из организма ретикулоэндотелиальной системой. Гиалуроновая кислота имеет отрицательный заряд, который обеспечивает быстрое прохождение наночастиц через клеточную мембрану. Кроме того, такие наночастицы способны легче проникать в раковые клетки, так как мембраны опухолевых клеток имеют более отрицательный заряд, чем нормальные клетки. Это обеспечивает дополнительную селективность доставки лекарственных препаратов. Клеточные ферменты (гиалуронидазы) способны расщеплять гиалуроновую кислоту внутри клетки, тем самым высвобождая лекарственный препарат непосредственно в раковую клетку.

Молекулярный таргетинг позволяет инкапсулировать в наночастицы высокоэффективные лекарственные препараты, действующие целенаправленно на молекулярную мишень внутри раковой клетки. В качестве таких лекарственных препаратов можно использовать ингибиторы или, наоборот, активаторы ферментов — биомаркеров онкологических заболеваний. Такие частицы могут также нести и доставлять в клетку различные лекарственные препараты, обладающие противоопухолевой активностью, например динитрозильные комплексы железа (ДНКЖ).

Сейчас для лечения онкологических заболеваний используются соединения, являющиеся донорами оксида азота. Эти соединения проявляют противоопухолевую активность против лейкемии, лейкоза, множественной миеломы, рака яичников. Однако основная проблема этих препаратов заключается в том, что они плохо растворимы и нестабильны в воде, неспецифичны и имеют ряд побочных эффектов. ДНКЖ являются синтетическими аналогами природных высокореакционных нитрозильных клеточных интермедиатов и демонстрируют высокую биологическую (в том числе противоопухолевую) активность.

Совместно с международной Иберийской лабораторией нанотехнологий мы инкапсулировали Dox (известный противоопухолевый препарат) в состав наночастиц и изучили их локализацию в клетке. В исследовании были получены наночастицы оптимального размера примерно 100 нм, отрицательно заряженные и стабильные.

Результаты анализа локализации наночастиц в живых клетках показали, что они проходят через цитоплазматическую мембрану и локализуются вокруг и внутри клеточного ядра раковых клеток. То есть произошла доставка инкапсулированного лекарства внутрь раковой клетки. Кроме того, удалось инкапсулировать ДНКЖ в состав наночастиц (хитозан и гиалуроновая кислота) и исследовать их стабильность и генерацию оксида азота во времени. Результаты исследования показали, что это значительно увеличивает стабильность ДНКЖ, а также пролонгирует генерацию оксида азота и повышает выход оксида азота, тем самым повышая эффективность действия этих соединений.

Фото: Институт проблем химической физики РАН

Созданные нами наночастицы способны осуществлять тканевый, клеточный и молекулярный таргетинг, чтобы обеспечить специфичность действия противоопухолевых препаратов. Эти частицы — комбинация безопасных биоматериалов, идеальны для инкапсулирования катионных гидрофильных препаратов; они способны обеспечить внутриклеточную доставку лекарств. Они могут долго находиться в организме человека, не нанося вреда здоровью, они легко производятся. Такие наночастицы, таргетно доставляющие лекарственные препараты непосредственно в раковую клетку, будут качественно и эффективно улучшать лечение онкологических заболеваний.

Наталья Акентьева, ведущий научный сотрудник, кандидат биологических наук, PhD, руководитель группы биохимических и клеточных исследований Института проблем химической физики РАН

Что такое наночастица? Согласно определению метрологов, размер нанообъекта должен быть меньше 100 нанометров. Один из парадоксальных примеров — мыльный пузырь. На самом деле он тоже нанообъект: когда мы надуваем пузырь, он меняет цвет, и его стенки темнеют, делаясь почти незаметными. Как это было доказано учеными-оптиками, в этот момент толщина его стенки становится менее 100 нанометров, и, таким образом, он является наноразмерным. Впрочем, гораздо чаще ученые в науках о жизни имеют дело с наночастицами в форме круглых или вытянутых шариков. Так наночастицы нашли важное применение в онкологии: они помогают обнаружить злокачественные образования, доставить к ним лекарства и победить их.

Основная часть препаратов в онкологии — классическая химиотерапия. Врачи вводят химиотерапевтические препараты, которые по сути являются ядами, внутривенно, а те разносятся по всему организму, проникая в ткани и отравляя их. Химиотерапия воздействует не только на раковые клетки, но и на здоровые ткани, и это серьезная проблема, помочь в решении которой могут наночастицы.

Наночастицы не попадают в большую часть тканей: они не могут выйти за пределы стенок здоровых сосудов. Однако у опухолевых тканей повышенная проницаемость сосудов, и наночастицы могут в них проникнуть, что доказал японский фармаколог Хироши Маэда в 1980-х годах. Но иммунная система быстро изымает наночастицы из кровотока. Это также является серьезным вызовом для ученых.

Почему наночастицы лучше традиционных онкопрепаратов

Преимущество использования наночастиц в химиотерапии неоспоримо: они менее токсичны, чем стандартные препараты. Например, доксорубицин — противоопухолевый препарат, который повреждает ДНК клеток. Наиболее чувствительны к нему гладкомышечные клетки сердца. Под влиянием доксорубицина ритмы сердца меняются, что может привести к сердечной недостаточности или аритмии. Если доксорубицин вводить в составе наночастиц, то его концентрация в организме станет выше, но он не вызовет серьезных осложнений.

Благодаря наночастицам побочные эффекты от химиотерапии существенно уменьшились, притом что по эффективности они не уступают стандартным препаратам. Сегодня многие научные группы пытаются собрать собственные комплексы — сложные наносоединения, которые будут обладать удивительными свойствами и существенно упростят терапию рака. Например, можно сделать нанокомплексы, которые будут саморазбиваться при попадании в опухоль. Это облегчит распространение препарата по всему объему злокачественного образования. Их можно сделать контрастными, различимыми существующими системами медицинской визуализации, такими как МРТ, КТ, УЗИ, а также оптическими системами — последнее нашло широкое применение в работе с онкологическими животными моделями для изучения методов онкотерапии. Нанокомплексы можно сделать гибридными, сочетающими органическую и неорганическую природу. Биогибридные комплексы можно создать такими, чтобы они были способны избежать захвата клетками иммунной системы, что приведет к лучшему накоплению в опухоли и метастазах. И это только малая часть возможностей, открываемая нанотехнологиями.

Как наночастицы помогут защититься от солнца

Еще одно направление, где применяются наночастицы, — токсикология. Люди вдыхают, потребляют частицы разных веществ и соприкасаются с ними. Однако не все частицы из этого разнообразия безопасны, некоторые могут серьезно навредить человеку. Влияние наночастиц на наш организм и возможные подходы к снижению их воздействия изучает нанотоксикология.

Самый простой пример — солнцезащитный крем. Вы пришли на пляж и, чтобы защитить себя от ультрафиолетовых лучей, нанесли крем на кожу. Казалось бы, что может угрожать? Дело в том, наночастицы крема могут проникать в клетки кожи и повреждать их. Особенно выделяются наночастицы органических фильтров — например, октокрилен или энсулизол. Они обесцвечиваются под лучами солнца, как одежда, и теряют свои защитные свойства, поэтому крем приходится наносить повторно. Еще органика может привести к неприятным последствиям, таким как раздражение кожи.

В солнцезащитных кремах используются не только органические соединения. В большинстве современных продуктов основной компонент — неорганические частицы, а именно оксид цинка и диоксид титана. Эти два оксида металлов хороши тем, что они фотостойкие, не разрушаются под воздействием солнечных лучей. Однако и у них есть свои минусы: под лучами солнца они становятся фотокаталитами и начинают производить активные радикалы, которые безопасны, потому что остаются в составе крема.

Наночастицы оксида цинка считаются самым эффективным солнцезащитным фильтром. Они поглощают свет в опасном диапазоне — ультрафиолет типа А, который может привести к ожогам разной степени и повредить ДНК. В результате у человека могут возникнуть мутации, приводящие к развитию меланомы — злокачественного образования.

Но в 2016 году в научной статье[1] появилось сообщение, что частицы цинка, оказавшись на коже, растворяются и попадают внутрь организма. Роговой слой эпителия — верхнего слоя кожи — закислен секретом сальной железы, который защищает ее от микробов. Как оказалось, наночастицы растворяются в секрете и проникают в клетки в качестве ионов.

Клеточная машинерия построена на том, что цинк участвует в регенерации клеток и заживлении ран. Но будет ли дополнительный цинк, который проникает в кожу после солнцезащитного крема, токсичен для организма? Над этим вопросом мы долгие годы работали в лаборатории Университета Маккуори (Австралия) и Сеченовском университете, а сейчас готовим результаты исследований к публикации.

Почему эта проблема так важна? Солнечные лучи вызывают рак кожи. Особенно это актуально для тех, кто много времени проводит под солнцем. Например, у двух из трех жителей Австралии, рожденных в этой стране, к семидесяти годам будет диагностирована та или иная форма рака кожи[2] . Не все типы рака кожи столь злокачественны, как меланома, но защититься хотелось бы от всех. Именно поэтому в Австралии развернулась общественная кампания против этой формы онкологии. Рак кожи возникает, когда клетки повреждаются в результате чрезмерного воздействия ультрафиолетового излучения солнца. Чтобы уберечь людей от меланомы, фармкомпании разрабатывают новые соединения для солнцезащитных кремов, в том числе основываясь на последних достижениях наномедицины.

Диагностика, терапия и применение наночастиц

Кроме того, наночастицы используются в тераностике — это подход в медицине, объединяющий терапию и диагностику. Главное направление, в котором задействована тераностика, — онкология. Предположим, раковую опухоль трудно обнаружить. В этом случае нам помогут наночастицы. Когда наночастицы вводят в организм, недоброкачественное образование накапливает их. Чтобы его обнаружить, ученые делают наночастицы способными к контрасту — различимыми имиджинговыми инструментами, включая МРТ, КТ, УЗИ, а также оптическими камерами. В последнем случае регистрация происходит следующим образом: когда в опухоли скопилось нужное количество таких частиц, их облучают светом, который наночастицы переизлучают с изменением цвета, и их можно зарегистрировать с помощью, например, камеры. Такой способ называется флуоресцентным имиджингом, и он позволяет выявлять онкологические заболевания, а также обнаруживать и удалять оставшиеся после хирургической операции злокачественные ткани.

Но есть более стандартные методы, например радиоактивный имиджинг. В организм вводятся радиоактивные трейсеры — специальные нановещества, которые используются для наблюдения за химической реакцией или биологическим процессом. Благодаря имиджинговым системам можно обнаружить опухоль. Также применяются магнитные частицы оксида железа: они накапливаются в опухолях, и в системах МРТ видны места скоплений. Так можно обнаружить опухоль и сопутствующие ей метастазы. Эти методы сейчас находятся в активном развитии, и есть основания полагать, что они будут использованы в клинической практике.

Тераностика применяется по отношению к людям, но наночастицы задействованы меньше, чем стандартные препараты. Один из примеров тераностики, если не привязываться к наночастицам, — визуализация при операции по удалению глиомы — рака мозга. Глиома образуется таким образом, что узел виден, но нитеобразные метастазы, которые проникают в ткани головного мозга, — нет. Эти метастазы необходимо удалить: если этого не сделать, опухоль может развиться снова. Чтобы понять, где расположены метастазы и сама опухоль, в раковые ткани вводят флуоресцентные маркеры.

Один из таких флуоресцентных маркеров — препарат аласенс, который используется для лечения и диагностики онкологических заболеваний. Он накапливается в опухолевых клетках и заставляет их вырабатывать порфирин — пигмент, который в больших количествах распространен в живой природе. Порфирин ценен тем, что если на него светить зеленым светом, то он будет отсвечивать красным, что говорит о потенциале пигмента в медицине. Врачам достаточно поставить фильтр, который блокирует зеленый свет, и фильтр, который выделяет красный. Таким образом, во время операции хирург смотрит не на опухоль, а на монитор, на котором злокачественное образование подсвечено красным цветом.

В НМИЦ нейрохирургии имени академика Н. Н. Бурденко стандартно проводятся операции с использованием аласенса. Аласенс — препарат, позволяющий проводить фотодинамическую терапию. Если на него сильно посветить, то он будет токсичен для опухоли. Такая операция возможна, но хирурги предпочитают оперировать. Это пример того, как диагностический препарат помогает в хирургии человека.

Тераностика активно развивается, но, к сожалению, сегодня нанотехнологии не нашли широкого применения в онкологии. Ученые предпочитают химиотерапию в устоявшемся виде, а не с помощью наночастиц. Одна из причин — долгое и дорогостоящее тестирование нанопрепаратов и одобрение надзорных медицинских ведомств, что является вполне обоснованным: в первую очередь нельзя навредить пациенту. Кроме того, препараты наномедицины являются высокотехнологичными, а потому дорогостоящими. Поэтому тераностика с применением наночастиц в основном используется в исследованиях на животных, но подобные типы имиджинговых систем крайне полезны: доктора вводят препарат и видят, где он накопился. Так легко обнаружить раковые опухоли и прооперировать человека в нужный момент.

Андрей Звягин
доктор физико-математических наук, заведующий Отделом биомедицинской инженерии Института молекулярной медицины Сеченовского университета, профессор Университета Маккуори, Австралия.
источник