Опухоли, которые врастают в зрительный нерв или сонную артерию, почти невозможно удалить без риска слепоты или инсульта. Традиционная хирургия и химиотерапия здесь бессильны — они не умеют лечить, не повреждая здоровые ткани. Перспективная альтернатива — фототермическая терапия: в опухоль вводят наночастицы, а затем облучают лазером. Частицы поглощают свет, нагреваются и разрушают раковые клетки изнутри. Но сегодняшние частицы из золота и серебра дороги, токсичны и не позволяют гибко настраивать нагрев. Российские учёные из Пермского Политеха и Московского центра передовых исследований вместе с коллегами из ОАЭ и Франции нашли замену. Они впервые в мире создали сферические наночастицы из диселенида вольфрама и палладия — безопасные (синтезируются в воде без вредных реагентов), дешёвые и с рекордной эффективностью нагрева до 81%. Главное отличие: частицы из вольфрама греют точечно (для опухолей у нервов и сосудов), а из палладия — широко (для крупных новообразований). Врач сам выбирает, что подходит конкретному пациенту. Исследование открывает путь к более точному и доступному лечению рака.
А.В. Сюй за лабораторной установкой. Источник: А.В. Сюй / ПНИПУ
Исследование опубликовано в журнале «Applied Surface Science».
В древности врачи прижигали наружные опухоли, например, различные виды рака кожи, опухоли на губах или молочной железе, раскалённым железом — и это помогало: высокая температура уничтожала больные ткани там, где до них можно было дотянуться. Рак боится нагрева, потому что у новообразований сосуды растут хаотично, кровоток плохой — поэтому жар задерживается, а не отводится, как в здоровых. К тому же такие клетки делятся быстро и с ошибками: их «ремонтные системы» часто сломаны, и после теплового удара они не могут восстановиться и просто погибают.
Но как быть с глубокой опухолью — в лёгком, печени или мозге? До неё не добраться, не повредив сам орган. Может, прогреть всё тело в бане или приложить горячий компресс? Не получится. Тело умеет охлаждать себя: при попытке поднять общую температуру включаются потоотделение и расширение сосудов кожи. Поднять внутреннюю температуру выше 39–40°C без смертельного теплового удара нельзя, а для надёжного повреждения этого мало. Если греть снаружи, тепло задержится в коже: вы получите ожог, а опухоль не пострадает.
Значит, нужен способ нагреть ее изнутри, точечно, не трогая здоровые ткани. Здесь на помощь пришли два открытия XX века: лазер и наночастицы. Приставка «нано» означает одну миллиардную долю метра — это в сотни раз меньше бактерии. Они настолько малы, что могут циркулировать в крови, не закупоривая капилляры, и даже проникать внутрь клеток.
Оказалось, что инфракрасный свет с длиной волны 650–950 нанометров безвредно проходит сквозь кожу, мышцы и другие живые ткани. Но если внутри тканей находятся крошечные наночастицы из некоторых материалов, тот же самый свет начинает превращаться в тепло — прямо внутри этих частиц.
Тело человека почти прозрачно для инфракрасных лучей: оно состоит в основном из воды, белков и жиров, которые этот свет не поглощают — как стекло пропускает видимый свет. Наночастицы, например, золота устроены иначе. Их электроны под действием света приходят в движение, и эти колебания выделяют тепловую энергию.
На основе этих двух открытий появился метод фототермической терапии («фото» — свет, «термия» — тепло). Это точечное уничтожение опухоли без разрезов и токсичного воздействия: в нее вводят наночастицы, а затем просвечивают лазером снаружи. Свет проходит сквозь кожу, нагревает их, а они уже выжигают рак изнутри.
Для лечения в кровь вводят раствор с наночастицами. Сосуды быстрорастущей опухоли устроены небрежно — в них есть широкие щели, поэтому частицы просачиваются и застревают прямо в ткани. Здоровые органы с плотными стенками таких трещин не имеют, и туда ничего не попадает. Накопление занимает 12–48 часов, после чего врач подсвечивает область специальной лампой и видит на экране, где именно собралось введенное вещество.
Сейчас метод уже применяют. За рубежом испытывают технологию против рака простаты и лёгких, в России с её помощью удаляют меланому кожи и лечат опухоли глаз. Но почему же такая терапия еще не повсеместна?
Сейчас наночастицы для лечения делают в основном из золота и серебра. Эти металлы выбрали, потому что они отлично поглощают инфракрасный свет и превращают его в тепло — лучше большинства материалов. Золото химически инертно (не ржавеет и не растворяется в организме), серебро тоже устойчиво и к тому же убивает бактерии.
Однако у этих материалов есть серьёзные недостатки. Это дорогие металлы — получение нужного количества наночастиц обходится недёшево, что делает терапию малодоступной. Чтобы частицы не слипались в растворе, их покрывают специальными веществами — стабилизаторами, но многие из них токсичны для клеток. Даже самое стойкое золото в виде мельчайших частиц со временем окисляется и выделяет ионы (серебро делает это гораздо активнее). Они накапливаются в печени и селезёнке и выводятся очень медленно.
Ученые Пермского Политеха, Московского центра передовых исследований совместно с коллегами из ОАЭ и Франции предложили использовать вместо золота соединения, которые называются дихалькогениды переходных металлов. Звучит сложно, но на деле это просто кристаллы, состоящие из двух частей: металла и селена. Селен — это химический элемент, родственник серы. В небольших количествах он полезен для щитовидной железы, а в наночастицах он выполняет роль «ловушки для света» — именно благодаря селену дихалькогениды поглощают инфракрасные лучи в нужном диапазоне.
В качестве металла учёные взяли вольфрам (из него делают нити накаливания в лампочках) и палладий (драгоценный металл, родственник платины, используемый в ювелирных украшениях). Оба не ядовиты и, что важно для доступности лечения, стоят дешевле золота. Но главное отличие — в механизме нагрева. Золото греется только на своей поверхности, поэтому его частицам приходится придавать сложную форму (палочки, шипы). А у вольфрама и палладия тепло возникает внутри всего объёма — это проще, дешевле и надёжнее.
Эти вещества давно известны, но в виде плоских кристаллических плёнок. Учёные же впервые получили из них крошечные шарообразные частицы и сделали это с помощью лазера — вспышкой длительностью в миллионную долю миллиардной доли секунды.
— Важно, что метод чистый: частицы сразу получаются в воде, без токсичных стабилизаторов, и не слипаются благодаря собственному электрическому заряду. Это большое преимущество перед золотыми и серебряными частицами, которые приходится покрывать ядовитыми веществами, чтобы они не слипались. А шарообразная форма выбрана не случайно: в отличие от острых осколков или плоских чешуек, шарики безопасно путешествуют по кровотоку и легко проникают в опухоль, не повреждая здоровые ткани, — рассказывает Александр Сюй, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Оказалось, что эти два очень похожих по составу материала — селенид вольфрама и селенид палладия — ведут себя в инфракрасном свете совершенно по-разному. Первый греется только на одной строго определённой длине волны (770 нм). Стоит чуть изменить настройку лазера — и нагрев почти прекращается. А второй одинаково эффективно превращает в тепло любой свет в широком диапазоне от 650 до 950 нм. Врачу не нужно подбирать лазер с ювелирной точностью — подойдёт практически любой источник инфракрасного излучения.
Учёные впервые показали, что тип нагрева можно выбирать осознанно, просто взяв другой материал, но используя тот же самый лазерный метод. Получается, что у врачей теперь появляется выбор. Для маленькой опухоли в опасном месте (например, рядом с нервом) лучше взять вещество на основе вольфрама — оно нагреет только нужную точку. Для большой опухоли, которую надо прогреть целиком, подойдёт соединение на основе палладия — оно одинаково эффективно работает в широком диапазоне волн. Оба материала не токсичны, не требуют вредных стабилизаторов.
В лабораторных экспериментах учёные измерили эффективность обоих типов частиц. Диселенид палладия превращает в тепло до 81 процента лазерной энергии, диселенид вольфрама — 71 процент. Для сравнения: лучшие образцы на основе золота показывают примерно те же 70–80 процентов, но при этом они дороже и токсичнее.
— Мы выяснили, что чем меньше частица, тем выше КПД. Крошечные шарики диаметром 12 нанометров греются лучше, чем 50-нанометровые, потому что почти не рассеивают свет. А это значит, что маленькие частицы лучше подходят для лечения глубоко расположенных опухолей — они доставляют тепло на нужную глубину, не теряя энергию по пути, — дополняет Александр Сюй.
Новые наночастицы из вольфрама и палладия дешевле и безопаснее золотых аналогов. В онкологии они дают врачу выбор: частицы из вольфрама греются точечно и подходят для опухолей, расположенных вплотную к нервам или сосудам, а частицы из палладия греются широко и позволяют прогревать крупные или глубокие новообразования. Технология готова к дальнейшим испытаниям и в перспективе сделает лечение рака более точным и доступным.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ПНИПУ
