Аттограммный детектив

Ученые лаборатории радиохимии окружающей среды ГЕОХИ РАН совместно с коллегами из НИФХИ им. Л. Я. Карпова разработали новый метод синтеза наночастиц магнетита, меченных радиоизотопом 59Fe. Частицы обладают одновременно магнитными и радиоактивными свойствами, что открывает возможность применять их и для МРТ, и для радиологических методов диагностики (сцинтиграфия, ОФЭКТ), а также для радионуклидной терапии.

Ключевое отличие новой технологии — использование сульфатов железа особой чистоты вместо традиционных хлоридов, что позволяет минимизировать образование нежелательных радионуклидных примесей после активации тепловыми нейтронами. Теоретический предел обнаружения таких частиц составляет 1 аттограмм, что сопоставимо с массой вирусной частицы и открывает перспективы для сверхранней диагностики. Результаты работы опубликованы в журнале «Applied Radiation and Isotopes» (Sinolits et al., 2026). Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект №25-73-00332.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Почему химики отказались от хлоридов, чем уникален изотоп 59Fe и какие барьеры отделяют лабораторную разработку от реальной клиники, «Ъ-Наука» поговорил с одним из авторов исследования — старшим научным сотрудником лаборатории радиохимии окружающей среды ГЕОХИ РАН, кандидатом химических наук Артемом Синолицем.

— Почему химики решили отказаться от привычных хлоридов железа и перейти на сульфаты? Что не так со старыми реагентами?

— Обычно применяемые для синтеза наночастиц магнетита хлориды железа при хранении на воздухе под воздействием влаги частично гидролизуются и превращаются в малорастворимые оксо- и гидроксосоединения железа. Ввиду малой растворимости они могут выступать нежелательными центрами кристаллизации будущих наночастиц магнетита, тем самым искажая их структуру, морфологию и состав. Стоит отметить, что процесс гидролиза хлоридов железа существенно зависит от влажности и температуры среды, в которой они хранятся, поэтому может также ухудшаться воспроизводимость синтеза. Воспроизводимость очень важна при производстве лекарственных препаратов.

— Какая главная опасность кроется в облучении хлоридов железа нейтронами и почему новый метод позволяет этой опасности избежать?

— При активации хлоридов железа тепловыми нейтронами в качестве побочных продуктов будут образовываться долгоживущие радиоизотопы хлора, с большим выходом, нежели целевой радионуклид 59Fe, ввиду большего сечения захвата нейтронов природным хлором. При активации нейтронами сульфата железа (III) в качестве побочных продуктов, помимо продуктов активации железа, образуются относительно короткоживущие радиоизотопы серы и короткоживущие изотопы кислорода. Последними в предлагаемом процессе можно даже пренебречь. А при активации нейтронами металлического железа получается 59Fe с максимальной радионуклидной чистотой, в котором присутствуют только примеси, образующиеся при облучении Fe с природным изотопным составом.

— Чем уникален изотоп 59Fe? Почему он интересен сразу и рентгенологам, и онкологам?

— Радиоизотоп 59Fe распадается с периодом полураспада 44,5 суток, испуская бета-частицы и гамма-кванты. Гамма-кванты могут быть зарегистрированы с помощью гамма-камер в ценных диагностических методах: сцинтиграфии и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ). Испускаемые при распаде 59Fe бета-частицы могут захватываться окружающими клетками и тканями, приводя к их уничтожению, что можно применять в терапии онкологических и аутоиммунных заболеваний. В России зарегистрирован препарат «Железа сульфат, 59Fe» (владелец РУ завод «Медрадиопрепарат»), который рекомендуется использовать для диагностики патологий молочной железы. Значит, с радиоизотопом 59Fe врачи знакомы и развитие препаратов на его основе перспективно.

— Зачем активировать сырье нейтронами до того, как из него сделают наночастицы, а не наоборот?

— Одной из задач исследования было проверить возможность активации нейтронами уже готовых, нерадиоактивных наночастиц магнетита. Наночастицы магнетита достаточно чувствительны к кислороду воздуха при нагревании, а при активации нейтронами температура может существенно повышаться, приводя к их окислению. Было обнаружено, что физико-химические свойства (помимо ядерно-физических) облученных наночастиц магнетита отличаются от свойств необлученных — по крайней мере, они хуже намагничиваются. Также облученные нейтронами наночастицы магнетита содержат больше радионуклидных примесей ввиду попадания их нерадиоактивных прекурсоров в материал в ходе синтеза. Их количество пренебрежимо мало в распространенном понимании химической чистоты, но достаточно высокое с точки зрения радиохимии. Поэтому мы считаем на данный момент наиболее целесообразным применять активированные нейтронами прекурсоры для синтеза наночастиц магнетита.

— Как одна крошечная частица магнетита может одновременно «светиться» для томографа, двигаться по команде магнита и убивать раковые клетки?

— Наночастицы магнетита сами по себе обладают суперпарамагнитными свойствами, то есть состоят из индивидуальных магнитных доменов, благодаря чему быстро ориентируются по внешнему магнитному полю, становясь, по сути, крошечными магнитами. Благодаря этому свойству они создают местные неоднородности магнитного поля и влияют на ядерные спины окружающих протонов (например, протонов воды, содержание которой в организме человека велико), что позволяет их регистрировать с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), а также направлять их с помощью внешнего магнитного поля. С помощью 59Fe мы наделили наночастицы магнетита дополнительной способностью испускать ионизирующее излучение, что расширяет возможности диагностики с помощью сцинтиграфии и ОФЭКТ по гамма-излучению, а также позволит производить радионуклидную терапию бета-частицами. Таким образом, меченные 59Fe наночастицы магнетита способны производить по крайней мере два аналитических сигнала, что существенно расширяет возможности диагностики, и по крайней мере один терапевтический эффект.

— Почему разработка особенно важна для пациентов с металлическими имплантами — тех, кому обычная МРТ противопоказана?

— Диагностика с помощью МРТ доступна и высокоинформативна, особенно при исследовании мягких тканей. Однако при МРТ объектов (людей, животных и т. д.), содержащих металлические конструкции, ввиду физических основ метода на получаемых изображениях возникают артефакты, мешающие полноценной диагностике, поэтому МРТ, как правило, противопоказана пациентам с металлическими имплантами. Для гамма-излучения в организме отсутствуют преграды, даже при наличии металлических имплантов. Ввиду того что химический состав нерадиоактивных и меченных 59Fe наночастиц магнетита одинаков, на одной и той же платформе возможно создание диагностических препаратов и для МРТ, и для радиологических методов, что может помочь дальнейшему их развитию и внедрению.

— Что такое 1 аттограмм и почему способность «увидеть» одну-единственную частицу может перевернуть раннюю диагностику?

— Теоретический предел метода обнаружения меченных 59Fe наночастиц магнетита составляет 1 аттограмм (10-18 грамма) — сопоставимо с индивидуальными молекулами белков и вирусными частицами — достижим при условии, что все нерадиоактивные атомы железа в наночастице магнетита будут замещены радиоактивными. Подобная высокая чувствительность достаточно распространена в ядерно-физических измерениях, обуславливая широчайшие возможности радиохимии и ядерной медицины. Величина удельной радиоактивности изотопно-замещенных наночастиц магнетита, конечно, будет весьма велика, и придется учитывать множество связанных с ней явлений. Разработка метода, позволяющего выявлять индивидуальные наночастицы, позволит создавать высокочувствительные системы для обнаружения сверхмалых количеств маркеров онкологических, аутоиммунных и генетических заболеваний, что, в свою очередь, позволит выявлять такие заболевания на ранних стадиях даже до появления симптомов.

— Почему авторы гордятся тем, что их метод «нетребователен к среде», и что это значит для врачей и биологов?

— Радиологические методы диагностики используют в качестве аналитического сигнала ионизирующее излучение. Гамма-излучение способно лишь в небольшой степени ослабляться органами и тканями человеческого тела, в отличие, например, от магнитных сигналов, измеряемых в методе МРТ. Ткани с высокой плотностью (кости), низким содержанием воды (протонов) или с металлическими конструкциями с помощью МРТ исследовать затруднительно. Плотные ткани удобно исследовать с помощью компьютерной томографии (КТ), использующей рентгеновское излучение, однако мягкие ткани исследовать труднее ввиду слабого поглощения ими рентгеновского излучения. Многие на сегодняшний день широко распространенные диагностические методы сильно зависят от исследуемой среды. На основе меченных 59Fe наночастиц магнетита можно разработать препараты, селективно связывающиеся с целевыми органами, тканями, клетками и даже отдельными молекулами, а гамма-излучение 59Fe можно зарегистрировать при практическом отсутствии мешающих воздействий: гамма-излучение может лишь ослабляться элементами с большими атомными номерами (свинец, вольфрам и т. д.), содержание которых в организме очень мало. При разработке препаратов на подобной платформе можно наблюдать их связывание с мишенью в живом организме напрямую в режиме реального времени, что существенно расширяет диагностические и терапевтические возможности.

— Какие барьеры отделяют эту лабораторную работу от реальной аптечки в онкологической клинике?

— Полученные меченные 59Fe наночастицы магнетита — пока лишь основа для перспективной платформы для диагностики и терапии. Предстоит проведение множества процессов и исследований, для того чтобы создать лекарственный препарат, не говоря о регистрационных процедурах в случае научного успеха. Необходимо исследовать связывание меченных 59Fe наночастиц магнетита с молекулами-векторами, направляющими их к целевым клеткам, органам и тканям, провести исследования на крупных живых организмах. Это достаточно непростой путь, на котором будет множество трудностей и преград, но первый шаг уже сделан и направление обозначено. Будем ему следовать.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки