ИМА-ПРЕСС

МОСКВА. Исследователи из МГУ имени М.В. Ломоносова совместно со своими немецкими коллегами сумели доказать применимость кремниевых наночастиц для диагностики и лечения рака, впервые продемонстрировав их способность эффективно проникать в больные клетки и, выпустив заключенное в них лекарство, быстро разлагаться, не накапливаясь в организме. О деталях своей работы они рассказали в статье, опубликованной в последнем номере журнала Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine.

Направление, в котором работают ученые, называется тераностика. Данный термин, составленный из слов «терапия» и «диагностика», обозначает процесс одновременной диагностики болезни и ее лечения. Одно из применений тераностики — выявление и лечение ряда онкологических заболеваний с помощью наночастиц, наполненных лекарством и адресно попадающих внутрь раковой клетки. Сегодня многие из таких наночастиц не отвечают требованию биосовместимости. По словам одного из участников исследования Любови Осминкиной (старший научный сотрудник физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова), при вводе в организм наночастицы действуют быстро, попадают куда нужно, вылечивают то или иное заболевание, однако спустя месяцы у пациента начинают болеть печень, почки, легкие или даже голова.

«Все потому, что наночастицы золота, серебра, оксида титана, селенида кадмия и огромное множество других фактически из организма не выводятся, — поясняет Любовь Осминкина. — При попадании в кровоток они застревают во внутренних органах и спустя некоторое время начинают наносить вред организму за счет пролонгированных токсических эффектов».

В поисках не только биосовместимых, но и биодеградируемых транспортировщиков для адресной доставки лекарств ученые 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 Любовь Осминкина, когда получила в 2013-м году грант DAAD-МГУ «Владимир Вернадский» (совместная программа научно-исследовательских стажировок МГУ и Германской службы академических обменов DAAD) для получения фотолюминесцентных наночастиц из пористых кремниевых нанонитей для тераностики. Работать она поехала в Йену, в Институт фотонных технологий (Leibniz Institute of Photonic Technology), одной из основных направлений деятельности которого является биофотоника — применение оптических методов для исследования живых систем. Особое внимание молодой сотрудницы МГУ привлекла используемая здесь рамановская микро-спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния света).

В основе рамановской спектроскопии лежит способность молекул к так называемому неупругому рассеянию монохроматического света, которое сопровождается изменением их внутреннего состояния и, соответственно, изменением частоты излучаемых в ответ фотонов. Этот вид спектроскопии отличает относительная простота и обилие получаемой информации — достаточно осветить вещество лазером и проанализировать спектр полученного излучения. В Институте фотонных технологий среди многих других оптических методов использовалась и рамановская микро-спектроскопия. С ее помощью ученые сканировали содержимое живой клетки и, сравнивая полученные спектры, выстраивали картину того, что и где в ней находится.

«Именно тогда мне и пришла в голову идея провести исследование биодеградации наночастиц с помощью рамановской микро-спектроскопии, — рассказывает ученый. — 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 ее распада. Последнее стало возможно потому, что, как уже было известно, рамановский спектр от кремниевой наночастицы зависит от ее размера – чем она меньше, тем он становится шире и сдвигается в сторону более низких частот».

Успешно завершив исследование по своему гранту, Осминкина выигрывает еще один грант DAAD-МГУ — теперь на реализацию своей новой идеи — и снова едет в Йену. Суть нового исследования Осминкиной и ее коллег сводилась к тому, что клетки рака молочной железы инкубировались с кремниевыми наночастицами размером 100 нм и затем, в частности, рамановским микро-спектрометром ученые наблюдали за происходящим в клетках в течение различного времени: от 5 часов до 13 суток. По рамановским спектрам и восстановленным из них изображениям частиц и клеток они увидели, как в первые 5-9 часов наночастицы локализуются на клеточных мембранах, за последующие сутки проникают внутрь клетки и потом начинают биодеградировать, о чем 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 Любовь 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».

image description

Рисунок:

Слева: Схематическое изображение процессов биодеградации кремниевых наночастиц: (I) локализация наночастиц на мембране клетки; (II), проникновение наночастиц в цитоплазму клетки, сопровождающееся частичной биодеградацией наночастиц; (III) полное растворение кремниевых наночастиц через 10-13 дней их инкубации в клетке.

Справа: Спектры комбинационного рассеяния света (рамановские спектры) кремниевых наночастиц, снятые в течение различного времени их инкубации в клеткахMCF-7 (рак молочной железы): 9 ч, 48 ч и 13 дней инкубации изображены красным, синим и зеленым спектром, соответственно. Врезка: соответствующие изображения XZ-сечения клетокMCF-7, культивируемых с наночастицами, полученные с помощью рамановской спектроскопии. Источник: Любовь Осминкина