Исследователи изучили активность веществ, которые образуются на оболочке раковых клеток во время лечения опухоли методом фотодинамической терапии. С помощью активного кислорода эти вещества окисляют раковые клетки и убивают их. Исследование провели сотрудники Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина (ИФХЭ) РАН с коллегами из России и Австрии. Его результаты были опубликовали в журнале Scientific Reports. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).

Фотодинамическая терапия — это способ лечения онкологических, инфекционных или кожных заболеваний при помощи специальных светочувствительных веществ — фотосенсибилизаторов. Они создают особо активную форму кислорода, синглетный кислород, затем «прилипают» к раковым клеткам и окисляют их под действием света определенной длины волны.

Большинство молекул фотосенсибилизаторов оседает на оболочках клеток и именно там проявляет свою активность. Основой оболочек клеток служит двойной слой липидов — молекул жироподобных веществ. Толщина липидного бислоя всего 5 нанометров, в десять тысяч раз тоньше человеческого волоса. В ходе новой работы биологи оценивали активность применяющихся сейчас фотосенсибилизаторов для объемной водной или неполярной (состоящей из молекул, не имеющих заряда) сред, которые по своим свойствам сильно отличаются от слоя липидных молекул.

«Наша задача состояла в том, чтобы смоделировать действие фотосенсибилизаторов непосредственно на клеточной мембране и выявить в характеристиках их активности те отличия, которые сопряжены со структурой липидного бислоя, — рассказывает один из авторов работы, сотрудник Института физической химии и электрохимии Олег Батищев. — Мы создали систему, которая позволяет анализировать, насколько эффективно фотосенсибилизаторы генерируют кислород непосредственно на липидных мембранах. Мы показали, что время жизни этой формы кислорода на мембране заметно отличается от тех оценок, которые были получены для объемной неполярной фазы. Фактически это аналогично тому, насколько двумерные пленки графена отличаются по своим свойствам от объемной фазы углерода».

Важные параметры для оценки активности фотосенсибилизаторов — это эффективность генерации синглетного кислорода, время его жизни и длина свободного пробега (расстояние, которое молекула пролетает от одного столкновения до следующего, зависящее от концентрации молекул). Чтобы зарегистрировать связывание фотосенсибилизаторов и разрушение молекул синглетным кислородом при освещении, авторы анализировали электрический потенциал на границе мембраны с водой: оба вида событий давали скачок потенциала. Чтобы оценить плотность молекул на поверхности липидного бислоя, ученые использовали методы корреляционной спектроскопии. Электрохимические методы помогли измерить электрические потенциалы на липидных мембранах и определить активность синглетного кислорода.

Чтобы количественно оценить эффективность фотосенсибилизаторов, ученые предложили подробную математическую модель. Она позволяет давать рекомендации по синтезу и отбору этих веществ для фотодинамической терапии рака.

«Мы впервые предложили удобную экспериментальную систему, позволяющую анализировать и количественно описывать все наблюдаемые явления. Эту систему и математическую модель процесса можно использовать для подбора тех фотосенсибилизаторов, которые будут наиболее эффективны именно на клеточных мембранах, где они в основном и концентрируются. В дальнейшем мы планируем отобрать те фотосенсибилизаторы, которые покажут максимальную эффективность в нашей экспериментальной системе, для последующей их проверки уже непосредственно на культурах раковых клеток», — заключил ученый.