От научных идей до перспективных технологий борьбы с онкологией

На первом международном симпозиуме «Инженерно-физические технологии биомедицины» на днях состоявшемся в НИЯУ МИФИ, говорилось о многих достижениях ученых, что называется, всем миром навалившихся в последние годы на онкологию. Но об одном весьма перспективном методе борьбы с этой болезнью, позволяющем усмирить коварство опухоли, мы попросили рассказать подробнее заместителя директора Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ, доктора физико-математических нау Виктора Тимошенко.

- Мы подробно изучали способность фотовозбужденных наночастиц кремния испускать люминесцентный свет, а при определенных условиях активировать молекулярный кислород и сжигать биологические объекты, - говорит Виктор Юрьевич. - И решили, что этот эффект можно использовать для обнаружения раковых клеток при фотодинамической терапии этого страшного недуга. Стало понятно, что кремниевые наночастицы - наши невидимые и умные помощники - способны быстро обнаружить злокачественные образования и уничтожить их безопасным для человека способом. Понятно, что сегодня речь идет не о внедрении в клиники оперативного универсального метода лечения онкобольных, а лишь о разработке некоего нестандартного научного подхода.

Сложность в том, что раковые клетки по своей структуре мало отличаются от здоровых. Но болезнь в том и заключается, что они выходят из-под контроля организма и начинают бурно размножаться - так образуется опухоль, которую уже можно диагностировать разными методами. Но рак теперь очень трудно будет победить - время упущено. Болезнь необходимо захватить в самом начале, а для этого нужно распознать, какая клетка перестала подчиняться организму и стала перерастать в злокачественную. Эту задачу нам и предстояло решить.

Для ранней диагностики рака мы рассмотрели сразу несколько способов физического воздействия на наночастицы: свет, ультразвук и практически не знающее преград радиочастотное электромагнитное излучение. Действуя каждый в отдельности, они должны максимально быстро выявить зарождающуюся опухоль, представив веские доказательства, способные убедить медиков. При этом в диагностике они превосходят традиционные методы, такие как рентген и биохимический анализ.

Объединяют эти способы диагностики нанокристаллы или наночастицы кремния - на них мы и возлагаем особые надежды. Кремний находится у нас, можно сказать, под ногами - ведь это основа земной коры. Есть у него и другое важное достоинство: он не токсичен для организма человека. Отметим, что в нем (организме) кремний присутствует в форме микроэлемента, например, в костях и волосах. Наночастицы мы получаем из наиболее чистых образцов монокристаллов кремния, не содержащих вредных примесей и потому совершенно безопасных для человека. А выполнив свою миссию - диагностировав и поразив опухоль, они растворяются в организме так, что от них и следа не остается. Мы научились управлять этими удивительными частицами, определенным способом их активировать, чтобы они могли диагностировать рак и уничтожить его клетки.

- Как эти методы работают на практике?

- Сначала нужно приготовить наночастицы кремния требуемого размера и формы. Это можно сделать химическими и электрохимическими методами, но самые чистые частицы образуются, если их синтезировать, распыляя (аблируя) монокристаллы кремния мощными лазерными импульсами. Если проводить абляцию в водной среде, то можно сразу получить суспензию наночастиц - готовый медицинский препарат. После введения в организм больного наночастицы легко транспортируются по кровеносной системе, включая самые мелкие капилляры, и накапливаются в опухоли. В своих работах мы продемонстрировали возможность мониторинга проникновения и накопления наночастиц кремния в раковых клетках при помощи их оптического отклика (фотолюминесценция, комбинационное рассеяние света), а также с помощью радиоизлучения, используемого в магниторезонансной томографии. Когда же наночастица достигнет опухоли, ее можно возбудить светом, ультразвуком или радиочастотным излучением для локального выделения энергии, необходимой для разрушения злокачественных клеток, то есть достижения терапевтического эффекта. Например, при применении ультразвука возникают такие физические эффекты, как кавитация и локальный разогрев (гипертермия). Это позволяет использовать наночастицу как маленький ультразвуковой нагреватель - разрушитель раковых клеток. Известно, что они очень чувствительны и погибают при температуре на 1-2 градуса ниже, чем здоровые клетки. Это тонкий эффект, но с помощью наночастиц его можно освоить.

Ультразвук - замечательный вид излучения для биомедицинских целей, но он плохо приспособлен для диагностики костей и мозга. Мы предложили способ, как провести диагностику и локальную гипертермию в этих и других частях организма человека, взяв на вооружение наночастицы и радиоизлучение. Многие, наверное, видели, как благодаря радиоволнам игрушечные машинки делаются послушными детям. А мы придумали, как те же длины волн задействовать для управления наночастицами размером в 5-10 нанометров. Радиоволны разогревают ионы вокруг наночастиц - и по изменившейся “картине” локальной температуры медики судят о наличии опухоли. Если же увеличить мощность волны, то мы ее обязательно сожжем, не затронув ближайшие здоровые клетки.

Свет чаще всего мы применяем для диагностики рака in vitro, поскольку он не в состоянии достичь глубин опухоли. Если диагноз поставлен и медикам ясно, где находится опухоль и каковы ее размеры, то ее можно устранить, но для этого лучше использовать ультразвук, радиоизлучение или их комбинацию с различными методами адресной доставки лекарств при помощи “заряженных” наночастиц кремния.

Таким образом, физическим объектам (наночастицам) и традиционным методам мы придали новый смысл, и теперь они помогают медикам бороться со злокачественными опухолями. И, подчеркнем, не вызывают при этом осложнений. Новый метод относится к щадящим: он не разрушает здоровые ткани, по сути это та же терапия. Хотя ее способы с помощью ультразвука, света или других излучений были известны давно, мы кардинально повысили их эффективность, используя наночастицы из безопасного и “умного” кремния. Это наше ноу-хау. Так фактически рождается целая отрасль биомедицины, помогающая онкологам в диагностике и лечении опаснейших заболеваний.

- Как медики относятся к вашим методам?

- По-разному. Чаще всего они говорят: дайте нам надежный способ диагностики, а лечить мы будем сами. Однако онкологи, следящие за нашими работами и знакомые с экспериментами на животных, которые мы проводим, выказывают большую заинтересованность. Им, например, очень понравился препарат для лечения опухоли под воздействием ультразвука. С его помощью опухоль у животных удалось уменьшить в два-три раза и есть возможность уничтожить ее полностью.

Но остается вопрос: сколько времени понадобится для освоения метода в клиниках? Сегодня на него нет прямого ответа. Все зависит от множества факторов - и в первую очередь, конечно, от финансирования. В одиночку, силами одной лаборатории МГУ, столь масштабную задачу не решить. Нужно искать союзника, готового участвовать в наших исследованиях. И мы нашли его в лице НИЯУ МИФИ. В этом университете нам помогли образовать лабораторию, закупить оборудование на весьма солидную сумму и организовать исследования в тесной связи с медиками, в том числе с использованием методов ядерной медицины. И теперь в рамках научных проектов Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ мы будем упорно работать, чтобы реализовать наши идеи. Планируется, что в результате совместной деятельности при НИЯУ МИФИ будет открыт специальный центр трансляционной медицины. Так все вместе мы постараемся превратить научные идеи в медицинские технологии. И не исключено, что освоение новых методов произойдет даже быстрее, чем предполагалось вначале.

Студенты обоих университетов увлечены этим перспективным направлением, а совместный проект еще больше подстегнет их интерес: ведь мы стремимся решать конкретные и важные задачи, в которых сочетаются теория и практика.

Газета «Поиск»