Небо в наноалмазах: меланому предложили лечить с помощью нагрева

Российские ученые 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 наноалмазов и их последующего нагрева рост новообразования замедлился на 65,22%.

Как лечить рак с помощью нагрева

Для диагностики и борьбы с меланомой врачи сочетают разные виды терапии, в том числе применяют гипертермию — локальный нагрев опухоли. В область опухоли вводятся специальные наноматериалы, в данном случае золотые наночастицы, способные преобразовывать световую энергию в тепловую. Таким образом они повышают температуру злокачественного образования от 40 до 50 °C. От этого структура белка разрушается и опухолевая клетка уничтожается. При этом важно контролировать степень нагрева в реальном времени, рассказала «Известиям» первый автор исследования, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО Елена Герасимова.

— От температуры зависят процесс деления клеток, экспрессия генов, метаболизм и вид клеточной смерти. Последнее влияет на то, оставят ли злокачественные клетки после себя продукты распада, что сказывается на эффективности лечения. К тому же перегрев здоровых клеток и тканей может привести к нежелательным побочным эффектам, — сказала специалист.

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.

Как рассказали в ИТМО, 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 они 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.

— 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, — рассказала Елена Герасимова.

Что такое наноалмазы

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.

— 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%, — отметила Екатерина Герасимова.

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.

По данным Международного агентства по изучению рака Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в 2022 году было зарегистрировано 330 тыс. новых случаев заболевания меланомой (одного из злокачественных видов рака кожи) и 60 тыс. смертей.

Лечение опухолевых заболеваний

Известно, что золото проявляет плазмонный резонанс (возбуждение поверхностных колебаний электронной плотности) в области, близкой к красному диапазону видимого спектра, рассказал старший научный сотрудник НИЦ «Неорганические наноматериалы» НИТУ МИСИС Андрей Матвеев.

— Поэтому, используя эти наночастицы для гипертермии, можно применить лазер с красным излучением, которое глубже проникает в ткани, и проводить терапию не только поверхностных опухолей, — сказал он.

Идея, предложенная учеными ИТМО, интересная, рассказал «Известиям» руководитель онкоцентра «СМ-Клиника», д.м.н., профессор, отличник здравоохранения РФ Александр Серяков. Исторически лечение нагреванием опухолевых заболеваний прослеживается в глубине веков, начиная с лечения поверхностных форм злокачественных образований во времена Гиппократа каленым железом. В том числе опухолей наружных локализаций, например рак молочной железы или кожи.

— Понятно, что при температуре выше 40 °C происходит денатурация большинства белков тела человека, но не всех. Это определяет температурный предел для большинства белков человека. Эта идея уже реализовывалась для лечения опухолевых заболеваний в XX веке. Локальные ткани нагреваются чуть более 40 °C (42–44 °C), и потом сублетальное повреждение опухолевых клеток становится летальным с помощью стандартной дистанционной лучевой терапии. Методика активно используется. Гипертермию проводят за полчаса до или через полчаса после лучевой терапии, — рассказал эксперт.

Но при меланоме кроме первичного очага наблюдаются опухолевые клетки, которые еще не дали метастазы, но циркулируют в кровотоке, отметил специалист.

— Как их уничтожать этим методом? Поэтому еще очень много вопросов. Идея хорошая, но она требует доработки и проведения клинических исследований, — сказал Александр Серяков.

Опухоль с локальными неоперабельными рецидивами встречается редко — обычно один–два пациента в месяц, прокомментировал работу ученых директор отдела клинических исследований ГК «Медскан», лидер группы по меланоме, опухолям кожи и саркомам Института онкологии Хадасса Игорь Утяшев.

— Для больных с локально распространенной неоперабельной меланомой и локально распространенными опухолями кожи и мягких тканей (например, некоторая форма сарком, плоскоклеточного рака кожи и базальноклеточного рака кожи) этот подход может быть действенным, — отметил эксперт.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nanophotonics. Исследование поддержано грантом РНФ №21-72-30018.