Физики получили оптимальные для лечения рака наночастицы из кремния и золота

Ученые нашли способ получать кремниево-золотые наночастицы размером в 400 раз меньше диаметра человеческого волоса, которые можно использовать для лечения некоторых форм рака. Такие наночастицы под действием ближнего инфракрасного света эффективно нагреваются, благодаря чему смогут убивать раковые клетки. Малый размер частиц позволит им легко проникать сквозь живые ткани в место расположения опухоли. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials.

Кремниевые наночастицы с внедренными в них кластерами золота — перспективный материал для медицины, поскольку они сочетают в себе сразу несколько полезных свойств. Они биосовместимы, при этом способны преобразовывать свет ближнего инфракрасного диапазона в тепло. Последнее свойство можно использовать для терапии рака. Дело в том, что такое излучение хорошо проникает сквозь живые ткани и при этом не «затухает», поэтому, если доставить наночастицы на основе кремния и золота в место расположения опухоли, например, с помощью инъекции, можно будет осуществить их локальный нагрев таким освещением без повреждения здоровых тканей. В результате под действием высоких температур раковые клетки погибнут.

При этом, чтобы такой способ лечения оказался эффективен, наночастицы должны иметь определенный размер: относительно маленький для того, чтобы проникнуть в опухоль, и при этом достаточно большой, чтобы испускать необходимое для уничтожения раковых клеток количество тепла. Существующие методики синтеза не позволяют точно контролировать размер получаемых наночастиц, что не дает использовать их на практике для терапии рака.

Ученые из Института автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток) предложили способ синтеза кремниево-золотых наночастиц практически одинакового и строго контролируемого размера. Сначала авторы получили кремниевые наночастицы, модифицировав самый распространенный способ их синтеза — метод лазерной абляции в жидкости. Он заключается в том, что гладкую пластину кристаллического кремния помещают в спирт и воздействуют на нее лазерным излучением. Излучение «выбивает» из кристалла наночастицы, но в стандартном подходе они получаются разного размера — от 100 до 2000 нанометров. При этом их средний диаметр составляет 600 нанометров.

Исследователи вместо кристаллического кремния взяли его пористый аналог. Лазерная обработка такого материала позволила получить наночастицы, средний размер которых был в три раза меньше — 200 нанометров (примерно в 400 раз меньше диаметра человеческого волоса). При этом 90% частиц были размером 180–220 нанометров, и только 10% выбивались из этого размерного диапазона. Такой эффект возникает благодаря тому, что пористый материал сильнее поглощает лазерное излучение по сравнению с кристаллическим. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению количества расплавленного лазером материала, участвующего в процессе образования наночастиц, что предотвращает их укрупнение.

Затем ученые добавили ионы золота к полученному раствору с кремниевыми наночастицами и провели повторную лазерную обработку. В результате драгоценный металл осел на поверхность наночастиц в виде кластеров и частично проник внутрь.

Эксперимент по облучению кремниево-золотых наночастиц ближним инфракрасным светом показал, что полученные гибридные наночастицы нагреваются в три раза эффективнее, чем обычные кремниевые структуры того же размера. Так, для нагрева частиц диаметром 210 нанометров до температур, используемых для терапии онкологических заболеваний (43–47°С), требовалась минимальная интенсивность инфракрасного излучения, тогда как более мелкие и более крупные частицы преобразовывали свет в тепло с меньшей эффективностью. Это подтверждает, что полученные авторами размеры частиц обеспечат наиболее эффективную гипертермию раковых клеток (их уничтожение с помощью нагревания).

«Благодаря своему размеру полученные наночастицы при введении в организм человека смогут успешно проникать в опухолевую ткань. Затем можно будет через кожу "освещать" эти участки инфракрасными лучами и тем самым добиваться нагрева частиц и уничтожения раковых клеток», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Жижченко, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории синхротронных методов изучения свойств новых функциональных наноматериалов оптоэлектроники, нанофотоники и тераностики ИАПУ ДВО РАН.

«В дальнейшем мы планируем на практике испытать полученные наночастицы как инструмент для гипертермии опухолевых клеток. Таким образом мы проверим реальные перспективы нашей разработки в борьбе с онкологическими заболеваниями», — подводит итог соавтор исследования, Станислав Гурбатов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории синхротронных методов изучения свойств новых функциональных наноматериалов оптоэлектроники, нанофотоники и тераностики ИАПУ ДВО РАН.