Исследователи повысили эффективность терапии опухолей с помощью лазерной переплавки двумерных материалов

Ученые из Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, НИЯУ МИФИ и МФТИ совместно с коллегами разработали новый способ получения сферических наночастиц максена Ti₃C₂ и показали, что они эффективно преобразуют свет в тепло для фототермальной терапии рака молочной железы. Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.

Фототермальная терапия основана на локальном нагреве опухоли. Для этого в новообразование или рядом с ним доставляют наночастицы, способные интенсивно поглощать ближнее инфракрасное излучение. После облучения лазером они преобразуют световую энергию в тепло, разрушая опухолевые клетки при минимальном воздействии на окружающие здоровые ткани.

Однако подобрать подходящий материал непросто. Помимо эффективного поглощения инфракрасного света, наночастицы должны сохранять стабильность в биологических жидкостях, быть малотоксичными и в достаточном количестве накапливаться в опухоли, обеспечивая локальный нагрев выше 42 °C.

В наномедицине большое значение имеет не только химический состав материала, но и форма частиц. Размер, геометрия, шероховатость поверхности и наличие острых граней влияют на их движение в организме, накопление в тканях и биологическую совместимость.

Перспективным классом материалов считаются максены — двумерные карбиды, нитриды и карбонитриды переходных металлов. Они обладают высокой электропроводностью, гидрофильностью и интенсивно поглощают свет в ближнем инфракрасном диапазоне. Однако традиционно максены получают в виде тонких пластинок с неровными краями, что ограничивает их применение в биомедицине.

Исследователи решили изменить не химический состав материала, а его форму. Они превратили слоистый максен Ti₃C₂ в сферические наночастицы с помощью фемтосекундной лазерной фрагментации в жидкости. Сверхкороткие лазерные импульсы мгновенно разогревают материал, вызывая локальные микровзрывы и образование отдельных наночастиц, а окружающая жидкость быстро охлаждает их, сохраняя кристаллическую структуру.

Полученные наносферы сохранили высокое поглощение в ближней инфракрасной области. При этом использование ацетонитрила в качестве рабочей среды защитило материал от окисления и образования диоксида титана, что позволило сохранить его функциональные свойства.

Данные электронной микроскопии подтвердили образование практически сферических частиц среднего диаметра около 27 нм. Рамановская спектроскопия показала, что после лазерной обработки химическая структура Ti₃C₂ практически не изменилась, а признаки существенного окисления отсутствовали.

Следующей задачей стало повышение стабильности наночастиц в физиологических растворах. Без дополнительной обработки они могли слипаться и выпадать в осадок, теряя свои свойства. Чтобы избежать этого, ученые покрыли частицы биосовместимой полиакриловой кислотой. Полимерная оболочка придала им отрицательный заряд и обеспечила устойчивость в биологических средах.

Дмитрий Дюбо, научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, отметил:

«Для фототермальной терапии важно не просто создать материал, который эффективно нагревается под действием лазера. Он должен сохранять свои свойства в биологических жидкостях, обладать минимальной собственной токсичностью и обеспечивать выраженный терапевтический эффект. Сферические максены Ti₃C₂ успешно сочетают все эти качества».

При облучении лазером с длиной волны 808 нм наночастицы преобразовывали в тепло около 68 % поглощенной энергии, а при длине волны 1064 нм — около 63 %. Для материалов, применяемых в фототермальной терапии, это очень высокий показатель. Уже при концентрации 12,5 мкг/мл за три минуты температура раствора повышалась примерно на 9 °C — этого достаточно для гибели опухолевых клеток.

Однако нагреть раствор значительно проще, чем добиться терапевтического эффекта в живой ткани.

Юлия Бабкова, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН и первый автор исследования, рассказала:

«Нам было важно оценить одновременно токсичность и эффективность новых частиц в различных биологических моделях. Мы использовали три линии клеток рака человека, а также трехмерные клеточные сфероиды, имитирующие структуру опухоли. Без лазерного облучения частицы практически не проявляли токсичности даже при высоких концентрациях. После включения лазера ситуация кардинально менялась: при концентрациях 12,5–25 мкг/мл удавалось полностью уничтожить опухолевые клетки. Такие результаты позволили перейти к исследованиям на животных».

Исследование показало, что основной причиной гибели клеток является именно локальный нагрев. Под действием света наночастицы практически не образовывали активные формы кислорода. Это может стать преимуществом метода, поскольку такие соединения способны усиливать противоопухолевый эффект, но одновременно повышают вероятность воспалительных процессов и повреждения здоровых тканей. В случае сферических частиц Ti₃C₂ главным механизмом остается контролируемое локальное повышение температуры.

В трехмерных клеточных сфероидах эффективность оказалась несколько ниже, однако сохранилась на уровне, представляющем практический интерес. Наночастицы преимущественно накапливались во внешних слоях искусственной опухоли, поэтому после лазерного облучения наиболее выраженная гибель клеток наблюдалась именно в поверхностной области. Для достижения аналогичного эффекта требовались более высокие концентрации частиц, чем в двумерных клеточных культурах, что соответствует реальным особенностям проникновения наноматериалов в ткань.

После успешных клеточных экспериментов исследователи испытали метод на модели рака молочной железы у мышей. После внутривенного введения частицы быстро покидали кровоток и преимущественно накапливались в печени и селезенке. Тем не менее часть наночастиц достигала опухоли, причем концентрация титана в опухолевой ткани оказалась примерно втрое выше, чем в соседней мышечной ткани. Этого оказалось достаточно для терапевтического воздействия.

Эксперименты на животных показали, что одной процедуры лазерного облучения после введения наночастиц хватало для существенного замедления роста опухоли. Через 15 дней средний объем новообразований был в 2,3 раза меньше по сравнению с контрольными животными. Медианная продолжительность жизни мышей увеличилась примерно в 1,4 раза, а у одного животного опухоль полностью исчезла к завершению эксперимента.

Следующий этап исследований связан с повышением эффективности доставки наночастиц в опухоль, более равномерным распределением материала внутри тканей, изучением повторных курсов терапии и оценкой долгосрочных эффектов лечения. Дополнительным преимуществом разработанного материала стало его высокое поглощение излучения с длиной волны 1064 нм, которое проникает в ткани глубже, чем традиционный диапазон ближнего инфракрасного света. Это открывает перспективы применения фототермальной терапии для лечения более глубоко расположенных опухолей.

Источник: Исследователи улучшили терапию опухолей с помощью лазерной переплавки двумерных материалов — За науку