Абстракт: В медицинских технологиях все чаще используются материалы с линейными размерами в несколько нанометров. Фармацевтические компании используют нанотехнологии в разработке систем диагностики и доставки лекарственных веществ к органам и тканям. Эти препараты дают сегодня больше половины всего оборота в мировой наномедицине. Одна из ведущих областей применения таких систем — онкология.
В исследовании онкологии на стыке фундаментальных наук — физики, химии и биологии, а также медицины и технологии получения наноматериалов — сформировалось направление «онкологическая нанотехнология», разрабатывающее методы молекулярной диагностики и терапии. Новым подходом к созданию лекарств стала тераностика (терапия + диагностика) — создание препаратов и технологий, которые одновременно работают и как диагностический, и как терапевтический агент. К примеру, одно и то же вещество может выявлять злокачественные клетки в крови и разрушать их. Тераностика относится к персонифицированной медицине: доза лекарства тщательно подбирается в зависимости от хода болезни каждого пациента.
Достижение эффекта возможно путем повышения селективности лечения, то есть способности избирательно воздействовать именно на новообразование, не затрагивая близлежащие здоровые ткани. Кроме того, для увеличения эффективности диагностики и терапии рака препарат должен обладать максимальной способностью преодолевать естественные биологические барьеры при достижении злокачественных клеток.
За основу нашего препарата мы берем керамические наноантенны — высокоэлектроноплотные наноразмерные объекты. Если проще, это наночастицы соединений металлов с высоким атомным зарядом (номер по периодической таблице Д. И. Менделеева), обладающие биоинертностью. К таким материалам относятся, например, оксиды гафния и тантала. Наибольшей эффективностью будут обладать частицы размером не более 50 нм с высокой степенью кристалличности ядра. Керамические наноантенны обладают рядом уникальных физико-химико-биологических характеристик.
Отличительная особенность наночастиц, составляющих наноантенны для тераностики,— в том, что они одновременно и контрастное вещество для рентгеновской компьютерной томографии (радиодиагностика), и радиосенсибилизатор (радиотерапия). Такие свойства им придает тот самый металл с высоким атомным номером.
Помимо этого такие наночастицы могут служить платформой для создания мультифункциональных препаратов, сочетающих в себе различные способы лечения и визуализации заболеваний, а также адресной доставки наночастиц в опухоль. Вводя новые структурные элементы в нанопрепарат, можно собирать из них, будто из конструктора лего, в котором каждая деталька будет отвечать за определенные функции. Так, например, в нашей работе мы поставили себе цель получить частицы с настраиваемыми люминесцентными свойствами за счет введения в их структуру различных редкоземельных элементов. Настраиваемые люминесцентные характеристики могут помочь решать узкие задачи при визуализации опухолей, повысить точность обнаружения раковых клеток. Особенно перспективной для биовизуализации является апконверсионная люминесценция.
Таким образом, в перспективе разработка препаратов для онкологической нанотераностики позволит увеличить эффективность диагностики и терапии онкологических заболеваний и заложить основу для создания препаратов персонифицированной медицины. Такой подход поможет повысить выживаемость онкологических больных за счет снижения влияния на организм побочных эффектов. А также тераностика благодаря объединению дорогостоящих процедур в одну сможет сэкономить затраты на дорогостоящее лечение, что, несомненно, подчеркивает доступность высококачественного лечения для каждого пациента.
Результаты:
Основным результатом первого этапа проекта является разработка методов синтеза наноразмерных частиц индивидуальных и допированных оксидов гафния и тантала, изучение их структуры и свойств. С использованием золь-гель и сольвотермальных методов были получены монодисперсные наночастицы, показано влияние сушки (на воздухе и в сверхкритических условиях для СО2) на размер и текстурные характеристики материалов, изучены структура частиц и оптические свойства (люминисценция и ап-конверсия). Получены водные дисперсии наночастиц и исследованы коллоидно-химические характеристики и устойчивость систем. С использованием физико-дозиметрического подхода проведено математическое моделирование взаимодействия излучения с веществом. На основе массовых коэффициентов поглощения энергии фотонного излучения был проведен расчет факторов увеличения дозы металлоксидных элементных композиций.
Основным результатом второго этапа является проведение исследований в условиях in vitro и модификация керамических наночастиц. Были изучены коллоидно-химические характеристики и устойчивость дисперсий оксидов металлов в условиях физиологического раствора и плазмы крови человека. Проведено исследование цитотоксического действия наночастиц на культуры нетрансформированных и злокачественных клеток путем подсчета процента клеток, выживших после экспозиции исследуемого соединения. Предложены и изучены механизмы, опосредующих цитотоксический эффект в опухолевых клетках. Проведено математическое моделирование физических аспектов синергетического цитотоксического эффекта наноантенн и медицинского облучения. Проведен скрининг радиосенсибилизирующего действия синтезированных наночастиц на культурах злокачественных клеток под воздействием медицинского облучения рентгеновскими и высокоэнергетичными фотонами. Осуществлен отбор наиболее эффективных агентов.
