Наночастицы оксида гадолиния для тераностики: видеть опухоль и лечить её одним материалом

Современная фотодинамическая терапия состоит из двух этапов: накопления светочувствительного вещества (сенсибилизатора) в опухоли и его облучения светом для запуска реакций, повреждающих раковые клетки. Однако врачи не могут точно знать, сколько сенсибилизатора накопилось и как он распределён, что снижает эффективность лечения. Учёные из МФТИ и курского Центра нанотехнологий предложили решение: использовать сенсибилизатор, который сам показывает своё местоположение.

Как работают новые наночастицы

«Мы подумали: что если сенсибилизатор сможет не только участвовать в терапии, но и сам показывать, где он накопился? Это позволило бы сделать лечение более контролируемым», — объясняет ведущий научный сотрудник центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, доктор физико-математических наук Максим Пугачевский. Основой выбрали оксид гадолиния — соединения гадолиния уже применяются в МРТ в качестве контрастных агентов из-за сильных парамагнитных свойств. Добавление примесей редкоземельных ионов — Eu³⁺ (европий), Tb³⁺ (тербий), Yb³⁺ (иттербий) и Ho³⁺ (гольмий) — придаёт материалу люминесцентные свойства за счёт эффекта апконверсии.

Апконверсия — это способность материала поглощать низкоэнергетическое излучение (например, красный или ближний инфракрасный свет) и преобразовывать его в более высокоэнергетическое. Для фотодинамической терапии это особенно ценно: красный свет глубже проникает в ткани и меньше повреждает их, чем ультрафиолет. Благодаря апконверсии наночастицы можно активировать в глубоко расположенных тканях.

В ходе работы исследователи синтезировали наночастицы Gd₂O₃ с примесями Ho³⁺ и Eu³⁺, обеспечивающими апконверсию. Затем они проверили, как частицы ведут себя под красным светом: усиливают ли образование активных радикалов — молекул, разрушающих опухолевые клетки, или подавляют его.

Двойное действие в зависимости от концентрации

«Мы показали, что наночастицы оксида гадолиния за счёт апконверсии могут не только давать люминесцентное свечение, но и эффективно генерировать активные радикалы, запуская окислительные реакции в окружающей среде», — рассказывает Пугачевский. Учёные добавляли разные концентрации Gd₂O₃ к раствору метиленового синего и облучали лазером красного света. По скорости обесцвечивания красителя они оценивали фотоокислительный процесс.

Результат оказался неожиданным: при высокой концентрации (около 10 миллимолей на литр) частицы работали как прооксиданты — усиливали образование гидроксильных радикалов, способных повредить опухоль. При низкой концентрации (около 1 миллимоля на литр) частицы проявляли антиоксидантные свойства, замедляя окисление. «Один и тот же материал может действовать по-разному в зависимости от условий. В опухоли, где концентрация будет высокой, он эффективно уничтожит раковые клетки, а в окружающих здоровых тканях — защитит их от окислительного стресса», — пояснил учёный.

Для прямого доказательства образования радикалов команда использовала спектроскопию электронного парамагнитного резонанса с ловушками DMPO. Это позволило зафиксировать гидроксильные радикалы, проследить их динамику и оценить зависимость генерации от интенсивности красного света.

«Мы сделали первый шаг к использованию синтезированных наночастиц оксида гадолиния в фотодинамической терапии, — отмечает Максим Пугачевский. — Следующим этапом станет проверка их эффективности и безопасности на клетках, затем на животных, а при успехе — в клинических исследованиях».

Помимо МФТИ и курского центра, в работе участвовали коллеги из Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н. И. Пирогова и Первого Московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова.