Химики из России и Швейцарии создали люминесцентные наночастицы для визуализации опухолей и кровеносных сосудов, поврежденных при инфаркте или инсульте. Частицы синтезированы из оксида гафния, который разрешено вводить в организм человека, с добавлением ионов редкоземельных металлов. Ученые надеются, что разработка станет альтернативой токсичным квантовым точкам и позволит получать снимки глубоких тканей без вреда для организма.
Российские химики создали наночастицы для безопасной визуализации опухолей

Главная цель ученых из Университета ИТМО и Швейцарской высшей технической школы Цюриха — добиться безопасной визуализации раковых опухолей и поврежденных сосудов сердца и головного мозга. Разработанные ими наночастицы способны излучать видимый спектр под действием ультрафиолета и синего света, что позволит использовать их как контрастные вещества при съемке внутренних тканей. Исследование опубликовано в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.

Без подходящих маркеров изображения органов не показательны, однако оптически активные вещества, применяемые сегодня, имеют существенные недостатки. Так, органические агенты не универсальны и быстро расщепляются в организме. А неорганические соли и полупроводниковые наночастицы, называемые квантовыми точками, очень токсичны. Последние обладают уникальными люминесцентными свойствами, но из-за опасности для организма их можно использовать только при анализе клеток в пробирке.

По словам ученых Университета ИТМО, разработанные ими маркеры лишены недостатков квантовых точек и могут в будущем заменить их в медицинских приложениях. Новые наночастицы состоят из оксида гафния со встроенными в него ионами редкоземельных металлов, в частности европия и тербия. В этой системе редкоземельные элементы отвечают за люминесценцию, а оксид гафния играет роль прозрачной матрицы, поддерживающей это свечение. Оксид гафния биоинертен и с 2015 года включен FDA в список оксидов, одобренных для инвазивного применения. Также в организм разрешено вводить некоторые формы оксидов железа и алюминия. Но последние, в отличие от гафния, поглощают свет, ухудшая люминесценцию. Кроме того, атомы гафния и редкоземельных металлов близки по размеру, поэтому химикам удалось сохранить правильную кристаллическую структуру оксида, заменив часть ионов гафния на редкоземельные элементы. Так ученые не только придали наночастицам необходимые оптические свойства, но и смогли предотвратить их осаждение в биологических жидкостях с нейтральной средой.

Так выглядя новые люминесцентные частицы в жидкой среде Так выглядя новые люминесцентные частицы в жидкой среде

Осаждение наночастиц в организме может привести к их накоплению в клетках и закупорке сосудов."Покрыть наночастицы стабилизатором мы не могли, ведь это бы снизило выход люминесценции, -рассказывает Александра Фурасова, первый автор статьи и сотрудница лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий Университета ИТМО. — Поэтому мы допировали оксид гафния ионами редкоземельных металлов. Во‑первых, они привнесли дополнительный поверхностный заряд, позволивший частицам равномерно распределяться в биологических жидкостях. А во-вторых, вводя различные «редкие земли», мы научились смещать спектр свечения наночастиц. Например, частицы с тербием дают зеленый свет, а с европием — красный. Такая настройка будет полезной для решения узких задач".

Поскольку оксиды редкоземельных элементов все же обладают слабой токсичностью, исследователи проверили, как они в составе частиц влияют на плазму крови и клеточные культуры. Для этого ученые добавляли наночастицы в биологические образцы. Оказалось, что частицы стабильны в крови и не изменяют ее консистенцию, а благодаря тому, что редкоземельные ионы прочно связаны в оксиде гафния, они не нарушают жизнедеятельность клеток, выращенных в насыщенной ими питательной среде.

Сотрудница лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий Анна Фахардо поясняет: «Для эксперимента мы выбрали легочные фибробласты и мезенхимальные стволовые клетки, поскольку первые наиболее распространены в соединительной ткани, а вторые могут превращаться в различные типы клеток. В течение трех суток мы наблюдали за жизненным циклом клеточных культур и не выявили токсических эффектов ни у чистых, ни у допированных наночастиц оксида гафния. То есть в перспективе их можно использовать в медицине».

В дальнейшем ученые планируют использовать наночастицы из оксида гафния не только для визуализации опухолей, но и для их терапии. Под воздействием рентгеновских лучей атомы тяжелых элементов, коими являются редкоземельные металлы и гафний, способны ионизировать молекулы воды вокруг себя. Те превращаются в так называемые свободные радикалы, которые начинают убивать соседние клетки. Этот метод борьбы с раком применяется единичными зарубежными компаниями и пока не может конкурировать с химиотерапией по цене, но считается более безопасным, поскольку с его помощью можно локально лечить опухоли, в том числе головного мозга.