Как наночастицы применяются в медицине? Биоинженер Андрей Звягин о наночастицах в химиотерапии, имиджинговых системах и борьбе с раком кожи
В чем преимущества наночастиц? Как они помогают ученым в борьбе с раком? В проекте "Мир вещей. Из чего сделано будущее" совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах в медицине.
Что такое наночастица? Согласно определению метрологов, размер нанообъекта должен быть меньше 100 нанометров. Один из парадоксальных примеров — мыльный пузырь. На самом деле он тоже нанообъект: когда мы надуваем пузырь, он меняет цвет, и его стенки темнеют, делаясь почти незаметными. Как это было доказано учеными-оптиками, в этот момент толщина его стенки становится менее 100 нанометров, и, таким образом, он является наноразмерным. Впрочем, гораздо чаще ученые в науках о жизни имеют дело с наночастицами в форме круглых или вытянутых шариков. Так наночастицы нашли важное применение в онкологии: они помогают обнаружить злокачественные образования, доставить к ним лекарства и победить их.
Основная часть препаратов в онкологии — классическая химиотерапия. Врачи вводят химиотерапевтические препараты, которые по сути являются ядами, внутривенно, а те разносятся по всему организму, проникая в ткани и отравляя их. Химиотерапия воздействует не только на раковые клетки, но и на здоровые ткани, и это серьезная проблема, помочь в решении которой могут наночастицы.
Наночастицы не попадают в большую часть тканей: они не могут выйти за пределы стенок здоровых сосудов. Однако у опухолевых тканей повышенная проницаемость сосудов, и наночастицы могут в них проникнуть, что доказал японский фармаколог Хироши Маэда в
Почему наночастицы лучше традиционных онкопрепаратов
Преимущество использования наночастиц в химиотерапии неоспоримо: они менее токсичны, чем стандартные препараты. Например, доксорубицин — противоопухолевый препарат, который повреждает ДНК клеток. Наиболее чувствительны к нему гладкомышечные клетки сердца. Под влиянием доксорубицина ритмы сердца меняются, что может привести к сердечной недостаточности или аритмии. Если доксорубицин вводить в составе наночастиц, то его концентрация в организме станет выше, но он не вызовет серьезных осложнений.
Благодаря наночастицам побочные эффекты от химиотерапии существенно уменьшились, притом что по эффективности они не уступают стандартным препаратам. Сегодня многие научные группы пытаются собрать собственные комплексы — сложные наносоединения, которые будут обладать удивительными свойствами и существенно упростят терапию рака. Например, можно сделать нанокомплексы, которые будут саморазбиваться при попадании в опухоль. Это облегчит распространение препарата по всему объему злокачественного образования. Их можно сделать контрастными, различимыми существующими системами медицинской визуализации, такими как МРТ, КТ, УЗИ, а также оптическими системами — последнее нашло широкое применение в работе с онкологическими животными моделями для изучения методов онкотерапии. Нанокомплексы можно сделать гибридными, сочетающими органическую и неорганическую природу. Биогибридные комплексы можно создать такими, чтобы они были способны избежать захвата клетками иммунной системы, что приведет к лучшему накоплению в опухоли и метастазах. И это только малая часть возможностей, открываемая нанотехнологиями.
Как наночастицы помогут защититься от солнца
Еще одно направление, где применяются наночастицы, — токсикология. Люди вдыхают, потребляют частицы разных веществ и соприкасаются с ними. Однако не все частицы из этого разнообразия безопасны, некоторые могут серьезно навредить человеку. Влияние наночастиц на наш организм и возможные подходы к снижению их воздействия изучает нанотоксикология.
Самый простой пример — солнцезащитный крем. Вы пришли на пляж и, чтобы защитить себя от ультрафиолетовых лучей, нанесли крем на кожу. Казалось бы, что может угрожать? Дело в том, наночастицы крема могут проникать в клетки кожи и повреждать их. Особенно выделяются наночастицы органических фильтров — например, октокрилен или энсулизол. Они обесцвечиваются под лучами солнца, как одежда, и теряют свои защитные свойства, поэтому крем приходится наносить повторно. Еще органика может привести к неприятным последствиям, таким как раздражение кожи.
В солнцезащитных кремах используются не только органические соединения. В большинстве современных продуктов основной компонент — неорганические частицы, а именно оксид цинка и диоксид титана. Эти два оксида металлов хороши тем, что они фотостойкие, не разрушаются под воздействием солнечных лучей. Однако и у них есть свои минусы: под лучами солнца они становятся фотокаталитами и начинают производить активные радикалы, которые безопасны, потому что остаются в составе крема.
Наночастицы оксида цинка считаются самым эффективным солнцезащитным фильтром. Они поглощают свет в опасном диапазоне — ультрафиолет типа А, который может привести к ожогам разной степени и повредить ДНК. В результате у человека могут возникнуть мутации, приводящие к развитию меланомы — злокачественного образования.
Но в 2016 году в научной статье [Holmes, A.M., et al., Relative penetration of zinc oxide and zinc ions into human skin after application of different zinc oxide formulations. ACS nano, 2016. 10(2): p. 1810–1819] появилось сообщение, что частицы цинка, оказавшись на коже, растворяются и попадают внутрь организма. Роговой слой эпителия — верхнего слоя кожи — закислен секретом сальной железы, который защищает ее от микробов. Как оказалось, наночастицы растворяются в секрете и проникают в клетки в качестве ионов.
Клеточная машинерия построена на том, что цинк участвует в регенерации клеток и заживлении ран. Но будет ли дополнительный цинк, который проникает в кожу после солнцезащитного крема, токсичен для организма? Над этим вопросом мы долгие годы работали в лаборатории Университета Маккуори (Австралия) и Сеченовском университете, а сейчас готовим результаты исследований к публикации.
Почему эта проблема так важна? Солнечные лучи вызывают рак кожи. Особенно это актуально для тех, кто много времени проводит под солнцем. Например, у двух из трех жителей Австралии, рожденных в этой стране, к семидесяти годам будет диагностирована та или иная форма рака кожи. Не все типы рака кожи столь злокачественны, как меланома, но защититься хотелось бы от всех. Именно поэтому в Австралии развернулась общественная кампания против этой формы онкологии. Рак кожи возникает, когда клетки повреждаются в результате чрезмерного воздействия ультрафиолетового излучения солнца. Чтобы уберечь людей от меланомы, фармкомпании разрабатывают новые соединения для солнцезащитных кремов, в том числе основываясь на последних достижениях наномедицины.
Диагностика, терапия и применение наночастиц
Кроме того, наночастицы используются в тераностике — это подход в медицине, объединяющий терапию и диагностику. Главное направление, в котором задействована тераностика, — онкология. Предположим, раковую опухоль трудно обнаружить. В этом случае нам помогут наночастицы. Когда наночастицы вводят в организм, недоброкачественное образование накапливает их. Чтобы его обнаружить, ученые делают наночастицы способными к контрасту — различимыми имиджинговыми инструментами, включая МРТ, КТ, УЗИ, а также оптическими камерами. В последнем случае регистрация происходит следующим образом: когда в опухоли скопилось нужное количество таких частиц, их облучают светом, который наночастицы переизлучают с изменением цвета, и их можно зарегистрировать с помощью, например, камеры. Такой способ называется флуоресцентным имиджингом, и он позволяет выявлять онкологические заболевания, а также обнаруживать и удалять оставшиеся после хирургической операции злокачественные ткани.
Но есть более стандартные методы, например радиоактивный имиджинг. В организм вводятся радиоактивные трейсеры — специальные нановещества, которые используются для наблюдения за химической реакцией или биологическим процессом. Благодаря имиджинговым системам можно обнаружить опухоль. Также применяются магнитные частицы оксида железа: они накапливаются в опухолях, и в системах МРТ видны места скоплений. Так можно обнаружить опухоль и сопутствующие ей метастазы. Эти методы сейчас находятся в активном развитии, и есть основания полагать, что они будут использованы в клинической практике.
Тераностика применяется по отношению к людям, но наночастицы задействованы меньше, чем стандартные препараты. Один из примеров тераностики, если не привязываться к наночастицам, — визуализация при операции по удалению глиомы — рака мозга. Глиома образуется таким образом, что узел виден, но нитеобразные метастазы, которые проникают в ткани головного мозга, — нет. Эти метастазы необходимо удалить: если этого не сделать, опухоль может развиться снова. Чтобы понять, где расположены метастазы и сама опухоль, в раковые ткани вводят флуоресцентные маркеры.
Один из таких флуоресцентных маркеров — препарат аласенс, который используется для лечения и диагностики онкологических заболеваний. Он накапливается в опухолевых клетках и заставляет их вырабатывать порфирин — пигмент, который в больших количествах распространен в живой природе. Порфирин ценен тем, что если на него светить зеленым светом, то он будет отсвечивать красным, что говорит о потенциале пигмента в медицине. Врачам достаточно поставить фильтр, который блокирует зеленый свет, и фильтр, который выделяет красный. Таким образом, во время операции хирург смотрит не на опухоль, а на монитор, на котором злокачественное образование подсвечено красным цветом.
В НМИЦ нейрохирургии имени академика Н. Н. Бурденко стандартно проводятся операции с использованием аласенса. Аласенс — препарат, позволяющий проводить фотодинамическую терапию. Если на него сильно посветить, то он будет токсичен для опухоли. Такая операция возможна, но хирурги предпочитают оперировать. Это пример того, как диагностический препарат помогает в хирургии человека.
Тераностика активно развивается, но, к сожалению, сегодня нанотехнологии не нашли широкого применения в онкологии. Ученые предпочитают химиотерапию в устоявшемся виде, а не с помощью наночастиц. Одна из причин — долгое и дорогостоящее тестирование нанопрепаратов и одобрение надзорных медицинских ведомств, что является вполне обоснованным: в первую очередь нельзя навредить пациенту. Кроме того, препараты наномедицины являются высокотехнологичными, а потому дорогостоящими. Поэтому тераностика с применением наночастиц в основном используется в исследованиях на животных, но подобные типы имиджинговых систем крайне полезны: доктора вводят препарат и видят, где он накопился. Так легко обнаружить раковые опухоли и прооперировать человека в нужный момент.
