Саратовские ученые открывают лечебные свойства металлов
Сверхмал золотник
Василий Янчилин, газета «Поиск» № 31/32-2013
Золото, прежде всего, драгоценный металл. Но, как говорится, любим мы его не только за это. Химический элемент, который в Периодической системе Менделеева значится под символом Au, обладает широким набором свойств, позволяющим находить ему разнообразные, порой весьма неожиданные сферы применения. Например, обнаруживать с его помощью в организме патологические изменения клеток и лечить больного. Такую возможность открывает новое направление в биомедицине – оптические нанотехнологии. Наш корреспондент заглянул в мастерскую «наноювелиров», работающих, впрочем, не только с золотом, и попытался выведать их секреты.
– В медицине будущего предполагается активное применение наночастиц, – рассказывает руководитель лаборатории лазерной диагностики технических и живых систем Института проблем точной механики и управления РАН, заведующий кафедрой оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского (СГУ) доктор физико-математических наук профессор Валерий Тучин. – Размеры этих «пылинок» составляют миллиардные доли метра, что примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса. А конфигурация – самая многообразная. Это могут быть шарики (сплошные и полые, в том числе композитные, то есть из одной или многих оболочек разных материалов), палочки, кубики, звездочки и прочие фигуры. По мере надобности изготавливать их будут из таких материалов, как золото, серебро, железо, алмаз, окислы титана и цинка.
В медицине и косметологии широко используются мягкие частицы, например, липосомы, имеющие липидную оболочку. Для доставки лекарственных препаратов непосредственно до места лечения разрабатываются наноконтейнеры, представляющие собой полимерную оболочку, внутри которой содержится лекарственный препарат. Основные области применения – защита человеческого организма от ультрафиолетового излучения солнца, оптические маркеры (после введения в организм частицы сигнализируют о наличии патологии).
В лазерной и светодиодной терапии и хирургии наноструктуры используют в качестве приемников фотонов. Свет нагревает находящуюся внутри клетки частицу, например, золота, оставляя окружающие ткани холодными, и клетка погибает. Крошечные приемники покрывают специальными молекулами, которые «узнают» патологические клетки, например раковые, и обеспечивают выборочное уничтожение пораженных участков при облучении ткани широкими и достаточно интенсивными световыми пучками. Для этого сначала нужно «увидеть» раковую клетку. Такое видение обеспечивает золотая наночастица, сильно (резонансно) отражающая свет определенной длины волны. Затем, увеличивая мощность излучения лазера, нагревают наночастицы до такой степени, чтобы можно было уничтожить раковые клетки, не принося вреда здоровым. Возникло даже новое понятие в медицине «тераностика» (от слов «терапия» и «диагностика»).
Аналогично можно поступить с патогенными микроорганизмами. Золотые наночастицы распыляют на поверхности раны, где находятся бактерии, и облучают светом определенной длины волны. Под действием излучения частицы разогреваются до губительной для микроорганизмов температуры (значительно больше 100 градусов), и вредная флора таким образом нейтрализуется. Но пациенту ожог не грозит: сама рана нагревается незначительно. Главный удар приходится на локальные точки.
Еще один пример. Допустим, нужно сварить лазером два очень маленьких кусочка ткани и при этом не задеть важные соседние участки. Или «заварить» ненужный сосуд, чтобы он не питал раковую опухоль. В таких случаях в рабочую область или сосуд вводят суспензию золотых наночастиц и облучают ее лазерным светом определенной мощности и длины волны. Частицы нагреваются до нужной температуры (порядка 55-60 градусов), происходит сварка биотканей, но только тех, где находились частицы, остальное остается холодным.
– Все это, как я понимаю, предыстория, которая позволяет понять, чем вы занимаетесь и чего достигли?
– Да, теперь о главном. Наш научный коллектив – это сотрудники кафедры оптики и биофотоники СГУ и входящего в состав университета научно-образовательного института с таким же названием, а также отечественные и зарубежные коллеги из многих стран мира, включая США, Великобританию, Финляндию, Германию, Францию, Италию, Китай. Мы вместе активно участвуем в разработке оптических нанотехнологий с использованием лазерного и светодиодного излучения. В России наши основные партнеры – Институт проблем точной механики и управления (ИПТМУ) РАН и Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов (ИБФРМ) РАН, оба находятся в Саратове. Лаборатория нанобиотехнологии ИБФРМ под руководством доктора физико-математических наук Николая Григорьевича Хлебцова разрабатывает новые типы золотых и других наночастиц. Сотрудники ИПТМУ моделируют тепловые поля, которые возникают вокруг них при внедрении в биоткань. Мы в СГУ сосредоточились на разработке технологий по доставке наночастиц в кожу, жировую ткань, печень. Для этого используем новые лазерные методы в сочетании с ультразвуком, измеряем индуцируемые светом тепловые поля от наночастиц в живых тканях и клетках, изучаем воздействие этих полей на раковые опухоли и микроорганизмы.
Еще одно важное направление, связанное с применением наночастиц в медицине, изучает возможность бесконтактного управления ими, например, с помощью света (лазерного пучка), который позволяет захватить частицу и заставить ее двигаться в нужном направлении.
Совместно с Университетом медицинских наук Арканзаса (США) мы исследуем весь цикл от детектирования раковых метастазирующих клеток в кровеносной и лимфатической системах организма экспериментального животного до их уничтожения лазером повышенной мощности за счет сильного нагрева привязанных к клетке наночастиц.
Как заметить клетку с нано-включениями? Как я уже сказал, золотая частица сильно отражает свет, поэтому ее можно увидеть через обычный микроскоп, хотя и нельзя определить ее реальные размеры. Кроме того, металлическая наночастица сильно поглощает свет, а это значит, что ее нагрев импульсом лазера приводит к генерации тепловой волны, а затем и звука, поэтому мы можем ее не только увидеть, но и «услышать». Часто именно акустика, а не оптика дает нам информацию, где находится искомая клетка, так как свет может не «выбраться» из глубин ткани.
Интересен наш совместный проект с Университетом Оулу (Финляндия) и рядом других подобных учреждений Швеции и Венгрии. Специалисты-нанотехнологи разрабатывают бактерицидные гипсовые покрытия для стен больниц и общественных учреждений. Они содержат титановые наночастицы с разными добавками. Наша задача – провести полномасштабные исследования бактерицидных свойств покрытий при их освещении светодиодными лампами, работающими в видимой области. Это означает, что пациентам уже не обязательно выходить из палаты, когда ее обеззараживают ультрафиолетовым излучением. В перспективе мы займемся бактерицидными столами, стульями, одеждой и многим другим. В отличие от антибиотиков технологии на основе наночастиц и света не оставляют микробам шансов адаптироваться к воздействию, поскольку оно не биохимическое, а физическое.
Один из наших проектов, поддержанный Российским фондом фундаментальных исследований и Королевским обществом Великобритании, проводимый совместно с известным шотландским университетом Сент-Андрюс, посвящен лазерной трансфекции клеток, то есть внедрению в них ДНК и других аналогичных молекул. Фактически это хирургическая операция на клетках. Чтобы обеспечить высокий уровень их выживаемости после столь жесткой процедуры, мы предложили использовать лазерную вспышку пониженной интенсивности. Эффективность операции возрастает благодаря использованию наночастиц, прикрепленных к мембранам клеток. Вспышка, нагревая частицы, усиливает проницаемость мембраны. После этого ДНК или другая биологически важная молекула достаточно легко заходит во внутриклеточное пространство. Все остальные части клетки не нагреваются, поэтому она сохраняет свою жизнеспособность.
– Как проводятся наноисследования?
– Все начинается с идеи. Она обязательно должна иметь практическое воплощение, в нашем случае – медицинское. Затем начинается проработка фундаментальной части, выстраивается технология «добывания знаний». Сейчас простых задач нет, все сложные и требуют привлечения специалистов из разных областей. Именно поэтому мы налаживаем связи между разными лабораториями России и мира.
Наша научная группа создана на базе исследовательского университета и представляет официально признанную научную школу по биофотонике, получившую поддержку в виде гранта Президента России. Для выполнения проектов мы привлекаем студентов, аспирантов, молодых ученых.
– Насколько востребована ваша работа?
– Нашими сотрудниками написано много статей, книг, на их разработки получены патенты, они защищают кандидатские и докторские диссертации. Публикации хорошо цитируются, а монографии пользуются спросом. Мы передаем новые знания в области оптических медицинских нанотехнологий студентам и аспирантам, готовим из них специалистов соответствующего профиля. Если говорить о практическом значении наших исследований, то это – ранняя диагностика и эффективное лечение рака, борьба с патогенными микроорганизмами, хирургия клеток и защита организма от ультрафиолетового излучения.
Медицинские оптические нанотехнологии находятся на начальном этапе своего развития, тем не менее, уже есть интересные результаты. В наших ближайших планах – разработать новый метод визуализации злокачественных новообразований на коже с использованием наночастиц как маркеров патологии, инфракрасного лазерного излучения для нагрева этих наночастиц, терагерцового излучения для получения уникальной, специфичной диагностической информации. Эта работа уже выполняется в рамках госконтракта совместно с международным учебно-научным лазерным центром Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
12.08.2013