В борьбе с онкологическими заболеваниями сегодня участвуют исследователи, работающие в разных областях науки. Один из вопросов, на которые они сообща ищут ответ: как разрушить опухолевые клетки, не повредив здоровые? В такую работу включилась и заведующая лабораторией макрокинетики неравновесных процессов, доктор физико-математических наук Екатерина БАРМИНА (на снимке) из Института общей физики им. А.М.Прохорова РАН. Тема ее исследований «Лазерная абляция борсодержащих наноматериалов, использующихся в нейтронной терапии, как основа радиофармацевтических лечебных препаратов» поддержана грантом Президента России.
— Катя, почему вы решили заняться медицинской тематикой, ведь вашим основным направлением были фундаментальные лазерные исследования?
— Действительно, наша лаборатория занимается взаимодействием лазерного излучения с веществом, а именно получением нанообъектов с помощью лазерной абляции твердых тел. Это один из методов генерации разнообразных наночастиц. Лазерный пучок фокусируется на твердую мишень, находящуюся в жидкости. При плотностях энергии пучка, превышающих порог плавления материала мишени, возникает тонкий слой расплава, который под давлением паров окружающей среды выбрасывается в виде наночастиц. В качестве жидкостей обычно используется вода, однако в последнее время применяются также органические растворители.
В ходе нашего проекта мы хотим изучить перспективы использования борсодержащих наноматериалов, полученных с помощью лазерной абляции в жидкостях, например, в бор-нейтронзахватной терапии (БНЗТ). При этом соединения для БНЗТ должны иметь низкую токсичность и высокую концентрацию атомов бора-10. Это необходимо для уменьшения вредного воздействия на здоровые ткани.
Сегодня основные материалы для БНЗТ — борсодержащие жидкости, например, боркаптат натрия и борфенилаланин. Но доля атомов бора в общей атомной массе вещества в них невелика. Например, в боркаптате натрия 12 атомов бора, а борфенилаланин содержит лишь один такой атом в составе молекулы. Это существенный недостаток, усложняющий их использование в качестве агента для БНЗТ. Поэтому поиск новых высококонцентрированных борсодержащих препаратов — это действительно актуальная задача. Мы будем создавать технологии изготовления борсодержащих нанообъектов с высокой концентрацией (до 90%) атомов бора-10.
Есть разные методы получения наночастиц: химический, нанодиспергирование компактных материалов, ударно-волновой (детонационный синтез). В большинстве случаев синтезированные наночастицы содержат посторонние примеси или ионы, что недопустимо в биологических и медицинских исследованиях.
Получаемые с помощью лазерной абляции наночастицы — химически чистые, это один из важнейших критериев создания радиофармацевтических лечебных препаратов (РФЛП). При этом у нас есть возможность комбинировать сразу несколько химических форм одного элемента. Таким образом, мы создаем технологии синтеза эффективных РФЛП с высокой концентрацией бора. В нашу задачу также входит изучение биодоступности наночастиц и того, как влияет на раковые клетки облучение нейтронами.
Работая в новом для меня направлении, я не только познакомилась с авторитетными учеными в этой области, но и приобрела много новых знаний и навыков в биологии и ядерной медицине. Благодаря этому проекту в будущем году мы планируем продолжить исследования применения наночастиц бора в БНЗТ в больших объемах.
— Что собой представляет борнейтронзахватная терапия?
– Это перспективная методика лечения рака, позволяющая избирательно уничтожать клетки опухоли путем накопления в них стабильного изотопа бор-10 и последующего облучения нейтронами. После доставки соединения бора в опухоль ее облучают нейтронами, которые инициируют ядерную реакцию с бором-10. Ядра атомов бора обладают свойством поглощать нейтроны очень интенсивно в отличие от других ядер атомов, из которых состоит тело человека. В этой реакции основной терапевтический эффект создают испускаемые альфа-частицы с энергией 1.47 мегаэлектронвольт. Они вызывают повреждение ткани в радиусе 10 микрометров от места захвата нейтронов.
Чтобы уменьшить повреждение нормальной ткани, необходима специфическая доставка бора-10 к месту опухоли. Для этого пациенту вводят молекулярное борсодержащее соединение, такое как борфенилаланин. В результате соотношение концентрации бора в опухоли к нормальной ткани увеличивается до 3:1. Минимальная доза этого элемента, необходимая в опухоли для получения терапевтического эффекта, составляет 20-30 микрограммов на грамм или 10 миллиардов атомов бора-10 на одну клетку.
— Используется ли где-то такая терапия?
— Можно выделить несколько важных периодов развития методики БНЗТ. Первый — ранние клинические испытания, проведенные в США с 1951-го по 1961 годы. Второй — пионерские работы научной группы профессора Хатанаки в Японии с 1968-го по 1990-й. Третий — клинические испытания глубинных внутримозговых опухолей с применением пучков тепловых нейтронов от ядерных реакторов. Четвертый — использование ускорителей заряженных частиц для получения пучков тепловых нейтронов. Пятый — создание установок БНЗТ и их применения для лечения раковых опухолей у человека.
Особенность метода — в целенаправленном уничтожении только раковых клеток без хирургического вмешательства, что особенно важно при онкологических заболеваниях мозга. Подтверждена эффективность БНЗТ при различных типах злокачественных опухолей. Это касается рака головного мозга (глиобластома), молочной железы, меланомы, аденокарциномы толстой кишки. Ключевой момент — потенциальная возможность лечить с помощью источника нейтронов те виды рака, которые устойчивы к другим видам облучения и химиотерапии, а также метастазы.
Эффективность этого метода доказана на неизлечимых формах. Из 1700 человек, прошедших терапию с помощью БНЗТ, 60% с глиобластомой имели положительный результат. В России ведущий центр в этой области — Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН в Новосибирске. Сейчас мы вместе исследуем борсодержащие наночастицы.
— Расскажите чуть подробнее про технику, которую используете.
— Мы применяем наносекундные волоконно-иттербиевые лазеры и лазеры с активной средой на основе алюмоиттриевого граната, легированного ионами неодима. Морфологию и состав наночастиц исследуем с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Размер наночастиц определяем с помощью дисковой центрифуги. Для изучения кристаллической структуры и состава наночастиц используются методы рентгенофазового анализа.
Вместе с ИЯФ и Институтом биоорганической химии им. академиков Шемякина и Овчинникова мы собираемся провести биологические тесты по цитотоксичности наночастиц. Затем облучим раковые клетки наночастицами бора на уникальной установке — ускорительном источнике эпитепловых нейтронов в ИЯФ. Это единственное в мире оборудование, на котором проводятся генерация нейтронов и биологические исследования.
— Каким вам видится итог работы над проектом?
— Завершив его, мы собираемся подготовить рекомендации по созданию технологии синтеза борсодержащих наночастиц для их потенциального использования в борнейтронозахватной терапии. Благодаря лазерной абляции впервые получим сферические наночастицы бора, карбида бора, боруглерода размером менее 100 нанометров. Все они будут с необходимыми свойствами и кристаллической структурой. Также напишем рекомендации по созданию высокопроизводительного лазерного комплекса для синтеза борсодержащих наночастиц до 50 граммов в час. Полученные борсодержащие наночастицы протестируем на ускорительном источнике эпитепловых нейтронов с точки зрения их потенциального применения в БНЗТ.
— Мне приходится слышать от молодых ученых, что от них требуют обозначить результаты исследований уже в заявках на гранты. А это не так-то просто порой сделать, потому что в науке много непредсказуемого. Каково ваше мнение?
— Да, действительно, в любой заявке на проект обязательно нужно указать ожидаемые результаты и план работ. Это несложно в том случае, если ученый имеет наработки в той или иной области. А у меня, например, такого задела не было. Идея возникла буквально внезапно. Коллеги попросили меня сделать наночастицы карбида бора. Я вспомнила, что ученые из ФИАН и МИФИ занимаются протонной и нейтронной терапией. В результате обсуждений с ними возникла идея попробовать подать проект по БНЗТ.
С того времени уже проделана большая работа по гранту Президента России, и я надеюсь, что это только начало. В проекте участвуют пять человек, еще более десяти заинтересованы в его результатах. С финансовой точки зрения масштаб исследований уже превосходит бюджет гранта на год, и мы в большинстве таких случаев продолжаем работать на безвозмездной основе. Это возможно благодаря общему интересу, взаимовыручке и солидарности между коллегами. В будущем, надеюсь, этот грант перерастет в масштабный проект по созданию радиофармацевтических препаратов на основе наночастиц бора, которые будут использовать в БНЗТ.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Нет комментариев