Для терапии меланомы с помощью нагрева. В ИТМО разработали многофункциональный материал

Ученые ИТМО предложили простой и быстрый способ синтеза золотых плазмонных наноалмазов. Эти гибридные наноматериалы могут потенциально применяться в терапии меланомы с помощью нагревания. Новые материалы способны выполнять сразу две задачи — нагревать раковую опухоль и измерять ее температуру. Эксперименты на лабораторных животных показали — после введения в опухоль плазмонных наноалмазов и их последующего нагрева рост новообразования замедлился на 65,22%.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nanophotonics.

По данным Международного агентства по изучению рака Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в 2022 году было зарегистрировано 330 тысяч новых случаев заболевания меланомой (одного из злокачественных видов рака кожи) и 60 тысяч смертей. Для диагностики и борьбы с этой болезнью врачи сочетают разные виды терапии, в том числе применяют гипертермию — локальный нагрев опухоли. В область опухоли вводятся специальные наноматериалы, например золотые наночастицы, способные преобразовывать световую энергию в тепловую. Таким образом они повышают температуру злокачественного образования от 40°C до 50°C. От высокой температуры структура белка разрушается, и опухолевая клетка уничтожается.

При этом важно контролировать степень нагревания в реальном времени. От температуры зависит механизм экспрессии факторов роста, метаболизм и вид клеточной смерти. Последнее влияет на то, оставят ли злокачественные клетки после себя продукты распада, которые могут снова вызвать рецидив.

Для контроля нагрева применяют разные методики — например, флуоресцентные квантовые точки, рамановскую или сканирующую зондовую спектроскопию. Но у каждого способа есть недостатки. Рамановскую спектроскопию и флуоресцентные методы трудно адаптировать к клеткам из-за высокой чувствительности к фоновым сигналам и окружающей среде, а сканирующая зондовая спектроскопия может повредить живые клетки.

Альтернативным материалом для контроля нагрева могут стать наноалмазы с азото-замещенными вакансиями (материалы с нарушенной кристаллической решеткой, где один из атомов углерода заменен на атом азота). Такие наноалмазы часто применяют в термометрии, так как обладают биосовместимостью, высокой чувствительностью, оптической стабильностью, а также не фотообесцвечиваются и не требуют дополнительной калибровки.

Ученые ИТМО создали многофункциональный наноматериал, который сможет решать сразу две задачи — локально нагревать опухоль и ткань как плазмонные наночастицы и измерять температуру как флуоресцентный наноалмаз.

Разработка представляет собой наноалмазы с двумя видами покрытия: в первом случае поверхность укутана сплошной золотой оболочкой, во втором — покрыта россыпью наночастиц из золота и прослойки диоксида кремния. Последний защищает наноалмаз от внешних зарядов и помогает точнее измерять температуру.

Предложенная учеными ИТМО методика проста в использовании, так как требует всего одного лазера для нагревания и термических измерений. Также новый метод позволяет наращивать золотые наночастицы нужного размера и таким образом изменять их способность нагреваться.

Мы проверили работу плазмонных наноалмазов в нескольких экспериментах с линией опухолевых клеток и тканей меланомы B16-F10 вне живого организма. Чем больше мощность лазера, тем ниже выживаемость опухолевых клеток: процент жизнеспособных клеток составил 62,2% для наноалмазов, покрытых сплошь золотом, и 51,32% — для золотых наноалмазов с прослойкой диоксида кремния. Также мы протестировали гибридные наноматериалы на четырех группах мышей с меланомой. Первая группа осталась без лечения, вторую — облучили лазером, третьей — ввели плазмонные наноалмазы, четвертая получила наноматериалы и нагрев лазером. В сравнении с отсутствием терапии эффективной оказалась последняя комбинация — рост опухоли замедлился на 65,22%.

• Елена Герасимова, первый автор исследования, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО

В перспективе разработанные плазмонные наноалмазы можно будет использовать для локальной терапии меланомы. Для этого ученые планируют исследовать фототермический процесс на большем количестве животных, чтобы понять, какие именно показатели влияют на успешность лечения, а также проверить, как сочетается действие плазмонных наноалмазов с другим видом терапии рака.

Исследование поддержано грантом РНФ №21-72-30018.

Фото: ИТМО