Ученые Санкт-Петербургского государственного университета установили закономерности изменения формы и размера наночастиц, используемых в тераностике (инновационной области медицины), за счет добавления в структуру различных лантаноидов.
Фото: Дмитрий Лебедев, Коммерсантъ
Фото: Дмитрий Лебедев, Коммерсантъ
Применение частиц определенной формы и размера важно при проведении противораковой терапии или МРТ-диагностики, где необходимо применять наиболее мелкие частицы, так как они легче проникают в клетки и способны свободно перемещаться по сосудам и венам, не закупоривая мелкие капилляры.
Тераностика — молодая и активно развивающаяся область медицины, которая исследует возможности создания и применения препаратов, позволяющих одновременно проводить диагностику заболеваний и их терапию с помощью специальных комбинированных материалов-препаратов.
Создание таких материалов стало возможным только в последние годы — во многом в результате развития нанотехнологий.
Эти препараты позволяют найти в организме пациента проблемное место, требующее лечения, доставить туда необходимое лекарство и сразу же в режиме реального времени визуализировать для врача пораженный участок (либо методами оптической спектроскопии, либо с помощью широко используемого метода магнитно-резонансной томографии). Как отмечают ученые, комбинированные препараты не оказывают негативного воздействия на организм пациента и доставляют меньше дискомфорта во время лечения.
Для разработки таких препаратов важна практическая составляющая, но есть и важные фундаментальные проблемы. Например, принципиальным является вопрос о связи полезных свойств лекарств с размерами микро- и наночастиц, в виде которых изготавливают препараты.
Ученые Санкт-Петербургского университета изучили наночастицы на основе фторидов натрия и иттрия и редкоземельных элементов — химически инертных и нерастворимых веществ, которые не наносят вреда организму. К тому же эти элементы, как правило, обладают более яркой люминесценцией (свечением) и в перспективе могут быть использованы в качестве красителей для люминесцентной микроскопии, а также в медицинских целях (например, при проведении неинвазивной диагностики опухолей).
Во время работы команда исследователей под руководством доктора химических наук, доцента кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ Андрея Мерещенко провела синтез нескольких десятков соединений, в каждом случае варьируя состав получаемого материала путем добавления различных солей редкоземельных элементов. Это было необходимо для накопления экспериментального материала для дальнейшего анализа.
Ученые применили классический подход научной школы химиков СПбГУ, позволяющий находить и объяснять фундаментальные закономерности в свойствах веществ с помощью периодического закона, открытого в 1869 году знаменитым универсантом Дмитрием Менделеевым.
В результате работы ученым удалось получить частицы размером от 80 до 1100 нанометров (один нанометр составляет одну миллиардную часть метра). Важно отметить, что размер и форма частиц прямо зависят от природы иона редкоземельного элемента. Эта зависимость носит немонотонный характер: частицы уменьшаются при переходе слева направо по ряду лантаноидов в Периодической системе, от лантана до гадолиния (57–64-й элементы Периодической системы), и возрастают во второй части этого ряда — от гадолиния до лютеция (64–71-й элементы Периодической системы). Все частицы имеют форму шестиугольных призм, для которых соотношение диаметра к высоте тоже зависит от природы редкоземельного иона, что обеспечивает изменение геометрических параметров частиц при использовании различных компонентов препарата.
Ранее химики СПбГУ синтезировали новые люминесцентные наночастицы для использования в лазерной микроскопии, а также для диагностики различных заболеваний с применением контраста. Эти наночастицы также были созданы на основе редкоземельных металлов — иттрия и европия — с добавлением ионов гадолиния.
В настоящее время коллектив продолжает работу и теперь нацелен на оптимизацию направленного синтеза частиц, обладающих многофункциональными свойствами: способных к излучению света под действием ультрафиолета, электромагнитного поля или других возмущений (люминесценции) и вместе с этим применимых в качестве состава МРТ-контрастов.
Андрей Мерещенко, доктор химических наук, доцент кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Что такое тераностика?
— Тераностика — молодая область медицины. Ее название сложено из двух слов — «терапия» и «диагностика», что отражает объекты, над которыми работают исследователи в этом направлении: создание и изучение материалов, позволяющих проводить одновременно и диагностику заболевания, и его лечение.
— Как работают комбинированные препараты, использующиеся в таком лечении-исследовании?
— Тераностические препараты могут быть разнообразны по своей химической природе. Объединяет их одно — возможность совмещения лекарственного действия и сенсорного. С точки зрения терапевтических свойств такие соединения или препараты на их основе должны обладать способностью лечить пораженные участки организма человека на клеточном уровне. Например, убивать раковые клетки. Поэтому они должны содержать в своем составе либо активные химические формы, оказывающие непосредственное влияние на биохимию процессов в пораженном участке, либо быть источником такого влияния. В первом случае это могут быть соединения, например, платины, имеющие токсический эффект для раковых клеток. Во втором — соединения, которые могут создавать физический эффект, помогающий разрушить вредоносные клетки. Таким эффектом могут быть радиоактивность при использовании радиоизотопов или теплота, которая появляется у некоторых соединений при их облучении светом с определенной длиной волны. Что же касается сенсорных свойств, позволяющих проводить диагностику, то здесь можно упомянуть возможности создания люминесцентных меток или МРТ-контрастов. Люминесцентные метки позволяют буквально «высветить» пораженный участок живой ткани путем облучения его светом, а МРТ-контрасты позволяют проводить магнитно-резонансную томографию и визуализировать трехмерную картину расположения тканей в организме человека. И все это без болезненного вмешательства в организм хирургическими методами.
— Как их разрабатывают?
— Разработка таких соединений — сложный физико-химический процесс. Если мы говорим о клеточном уровне воздействия, то препараты должны иметь определенные размеры, необходимо работать в нано- и микродиапазоне. Синтез наночастиц занимает несколько этапов и крайне требователен к чистоте реагентов и контролю за условиями проведения синтеза, ведь уже на этой стадии частицам придают функциональные свойства. Функционализация обеспечивается введением в частицы определенных химических компонентов. Например, для создания частиц, используемых в МРТ-контрасте, в соединение можно добавить ионы гадолиния, а для придания люминесцентных свойств — ионы европия или тербия. И это не единственные примеры. Эффективные добавки и подбор их оптимального количества — область для исследовательской работы отчасти прикладного, а отчасти фундаментального характера.
— Зачем ученые Санкт-Петербургского университета изучали наночастицы на основе фторидов натрия и иттрия и редкоземельных элементов?
— Фторид иттрия-натрия часто используется как твердотельная матрица для создания тераностических препаратов. Можно сказать, что это соединение играет такую же роль, какую стеарат магния — в таблетках глицина, так как действующее вещество аминокислота глицин находится в небольшом количестве, его для удобства применения помещают в таблетку с неактивным компонентом, который формирует тело таблетки, при этом само по себе это вещество не имеет терапевтического назначения и не оказывает влияния на организм. В нашем случае фторид натрия-иттрия используется как основа для введения ключевых химических компонентов в вещество. Этими компонентами являются ионы редкоземельных элементов. А целью исследования было решение фундаментального вопроса, касающегося любых тераностических препаратов на основе такой матрицы: как влияют природа и количество добавленных ионов на размер и морфологию получаемых наночастиц. Решение этого вопроса принципиально важно для создания препаратов, так как появляется возможность прогнозирования размеров частиц и их формы до проведения синтеза.
— Как проходило исследование?
— Изучали две серии частиц. Все они состояли из матрицы фтористого иттрия-натрия, во все добавляли разные ионы редкоземельных элементов. Отличие между сериями — в количестве добавленных ионов. Частицы получали автоклавным методом: водные растворы исходных компонентов для синтеза перемешивали при комнатной температуре, а потом помещали в автоклавы и выдерживали при повышенных давлении и температуре около суток. После этого получались бесцветные порошки, которые и исследовали инструментальными методами. Так как целью работы было получение данных о связи состава и размера-морфологии частиц, ключевая часть работы — рентгенодифракционный анализ и сканирующая электронная микроскопия. Эти методы анализа позволяют судить о размерах частиц и их форме, а также об особенностях строения кристаллической решетки.
— Что оно показало?
— Анализ полученных в работе частиц показал, что все они имеют размер в диапазоне от 80 до 1100 нанометров, при этом размер и форма частиц находятся в прямой зависимости от природы иона редкоземельного элемента. Также было обнаружено, что эта зависимость носит немонотонный характер: частицы уменьшаются при переходе слева направо по ряду лантаноидов в Периодической системе, от лантана до гадолиния, и возрастают во второй части этого ряда, от гадолиния до лютеция. Все частицы имеют форму шестиугольных призм, для которых соотношение диаметра к высоте тоже имеет зависимость от природы редкоземельного иона, что обеспечивает изменение геометрических параметров частиц при использовании различных компонентов препарата.
— Как эти данные можно использовать в медицине?
— Полученные результаты важны в первую очередь для разработки тераностических препаратов на основе редкоземельных ионов и фторида натрия-иттрия и подбора их оптимального состава. То есть полученные данные в первую очередь интересны исследователям в области материаловедения и медицины, которые создают лекарства в лабораториях и проводят с ними первые тесты, оптимизируют формулу.