Сергей Карпов. Фотография Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Красноярские ученые объяснили успешное применение магнитных наночастиц из оксида железа в лечении злокачественной опухоли карциномы Эрлиха. Причина крылась в поведении наночастиц и кардинальном изменении их магнитных свойств в переменном магнитном поле. Полученные результаты подтверждают возможность применения магнитных наночастиц в терапии рака и открывают перспективы внедрения такого метода лечения в медицинскую практику. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Physics D: Applied Physics (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/acb0dd).
Средства традиционной медицины, направленные на уничтожение раковых клеток, не являются адресными. Лекарства разносятся кровотоком по всему организму, поэтому их вводят в избыточном количестве. В результате, с одной стороны, доза лекарства многократно превышает предел токсичности, а с другой, спустя короткое время концентрация опускается ниже терапевтического порога.
Альтернативой такому подходу является нанотераностика, в которой ключевую роль играет избирательность связи наночастиц с опухолевой тканью, способность распознавать злокачественные клетки и действовать лишь непосредственно на них. Это реализуется за счет нанесения на поверхность наночастиц распознающих агентов — аптамеров, небольших фрагментов ДНК. В результате наночастицы приобретают свойство распознавать злокачественные клетки и воздействовать только на них, при этом здоровые клетки такие наночастицы обходят стороной.
Связывание наночастиц со злокачественными клетками позволяет реализовать различные сценарии физического воздействия на них. Например, лазерную гипертермию клеток, при которой наночастицы золота, связанные с внешней поверхностью мембраны злокачественной клетки, нагреваются лазерным импульсом и передают нагрев клеткам, что приводит к их гибели. В другом сценарии наночастицы золота нагреваются лазерным импульсом настолько сильно, что могут испарять слой воды вокруг них и образовать паровую оболочку высокого давления. Этот процесс порождает мини-ударную волну, которая приводит к множественным перфорациям клеточной мембраны.
Среди подходов, основанных на физических принципах, в последнее время выделяют магнитную нанотераностику, в которой воздействие на организм осуществляется с помощью негреющих низкочастотных магнитных полей. При выборе частоты переменного магнитного поля учитывается то, что с уменьшением частоты поле может беспрепятственно проникать к любым органам и, что очень важно, не приводит к неизбирательному нагреву тканей.
Междисциплинарная команда сибирских ученых из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», Красноярского государственного медицинского университета, СФУ и Томского государственного университета объяснила экспериментально установленные в 2017 году факты успешного применения наночастиц магнетита в переменном магнитном поле для полного подавления карциномы Эрлиха. Десятиминутное воздействие переменным магнитным полем на магнитные наночастицы, введенные в кровеносную систему организма и собравшиеся в пораженном органе, вызывало гибель опухолевых клеток. Однако дать объяснение результатам в то время не удалось, поскольку сила воздействия одиночных магнетитовых наночастиц на клетки в условиях эксперимента, как показывали оценки, была слишком низкой для запуска программируемой клеточной смерти.
Исследователи разработали модель и изучили условия запуска гибели злокачественных клеток в переменном магнитном поле, которое вызывает механическое движение магнитных наночастиц, связанных со злокачественными клетками с помощью аптамеров. Ученые выяснили, что сценарий механического воздействия наночастииц магнетита на злокачественные клетки должен учитывать то, что наночастицы в месте расположения механорецепторов таких клеток в присутствии переменного магнитного поля группируются и образуют жесткую структуру. При этом близкое расположение частиц в структуре кардинально изменяет их магнитные свойства – у такой структуры появляется коллективный постоянный магнитный момент, значительная величина которого и обеспечивает магнитомеханическое воздействие на клетки, достаточное для достижения терапевтического эффекта.
Разрушение двух злокачественных клеток наночастицами оксида железа под действием переменного магнитного поля. Фотография с лазерного сканирующего микроскопа
«В основе этого способа физического воздействия на мембраны злокачественных клеток лежит использование магнетитовых наночастиц размером 10-15 нанометров, имеющих тонкую золотую оболочку или ее фрагменты. Примечательно, что материалом наночастиц является магнетит – основная составляющая обычной железной ржавчины. Такие магнитные наночастицы, будучи помещёнными во внешнее переменное магнитное поле, начинают поворачиваться вдоль направления поля. Смена направления поля сопровождается поворотом наночастиц на пол-оборота. При этом, если наночастица закрепляется на внешней поверхности клеточной мембраны или на волокнах межклеточных элементов экзоскелета, ее поворот порождает механическую вытягивающую силу, передающуюся на трансмембранные механорецепторы клетки. Именно воздействие на механорецепторы при условии превышения порогового значения силы запускает апоптоз — программируемую гибель клеток. Полученные результаты подтверждают возможность успешного применения метода для высокоэффективного лечения злокачественных новообразований, что открывает перспективы его внедрения в медицинскую практику», — прокомментировал координатор проекта Сергей Карпов, доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института физики имени Киренского СО РАН и Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ.
Исследователи отмечают, что магнитомеханическая противораковая терапия с использованием магнетитовых наночастиц, активирующихся низкочастотным переменным магнитным полем, показала высокую результативность в исследованиях на мышах. Такие процессы, происходящие непосредственно в опухолевых клетках, могут быть сосредоточены в любом участке внутренних органов размером от нескольких миллиметров и более.
«Воздействие низкочастотного магнитного поля на организм создаёт гораздо меньшие риски и опасности, чем химические и радиационные воздействия, не говоря уже о хирургических методах лечения. Мы уже давно работаем над изучением наночастиц, связанных с аптамерами, для диагностики и терапии рака. Коллектив авторов нашей работы выполнил комплексное междисциплинарное исследование, позволившее получить сведения о размере, форме, составе магнитных наночастиц, напряженности магнитного поля и его частоте, необходимые для успешного лечения злокачественных новообразований с помощью магнитомеханической терапии. Мы убедились, что терапия на основе наночастиц магнетита приводит к эффективному подавлению злокачественной опухоли – карциномы Эрлиха in vivo и in vitro в переменном магнитном поле», — рассказала Татьяна Замай, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории цифровых и управляемых лекарств ФИЦ КНЦ СО РАН, профессор Красноярского государственного медицинского университета.
Исследование было поддержано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (№ ФСРЗ-2020-0008 и FWES-2022-0005).
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
