Графен — восходящая звезда на небосклоне нанотехнологий. На его основе собираются делать транзисторы нового поколения, сенсоры для определения одной-единственной молекулы вещества и электроды для суперконденсаторов. А теперь выясняется, что его ждет и большое медицинское будущее. Оказалось, что, будучи введенными в кровеносную систему больных раком мышей, графен избирательно накапливается в опухолях. Если после этого использовать высокую поглощающую способность графена на ближних инфракрасных частотах и облучить опухоль лазером, то она буквально сгорит, а мышь выздоровеет. Причем, что особенно вдохновляет, исследователи не нашли у подопытных мышей никаких побочных действий такого лечения.

Идея о том, чтобы внедрить какие-нибудь наночастицы в опухоль, а потом с их помощью опухоль сжечь, посещала головы ученых уже давно. Однако ни один из испытываемых наноматериалов не был идеальным. Например, углеродные нанотрубки накапливались не только в раковой опухоли, но и в некоторых других органах мыши, и когда опухоль начинал сжигать лазер, сгорала не только она.

Графен можно назвать родственником углеродной нанотрубки: это тот же слой атомов углерода, только не свернутый в цилиндр, а плоский. Это сходство наводило на мысль, что он тоже должен неплохо аккумулироваться в раковых опухолях. И когда ученые попробовали посмотреть, как поведет себя графен в больном раком мышином организме, результаты оказались просто блестящими: по какой-то причине (может, именно из-за своей плоской структуры) графен аккумулируется опухолью гораздо лучше, а в других тканях практически не задерживаются.

Рис. 1. Падение уровня графена в крови подопытных мышей в зависимости от времени. %ID/g — это процент от введенной дозы на грамм веса. График из обсуждаемой статьи в Nano Letters.

В экспериментах использовался графен, покрытый биосовместимой оболочкой из полиэтиленгликоля («голый» графен нестабилен в живом организме). Эксперимент состоял из нескольких стадий.

Первым делом исследователям надо было просто выяснить, что происходит с графеном после того, как он оказался внутри организма. Для этого графен пометили флуоресцентной краской Cy7, ввели в вену подопытным мышам и стали раз в несколько часов измерять его содержание в крови. Оказалось, что уже через шесть часов его уровень падает почти до нуля. Это очень и очень радовало. Теперь ученые ввели графен в кровь мышей с раковыми опухолями и стали смотреть на динамику его распределения по мышиному телу. Оказалось, что уже через 24 часа графен скапливается в районе опухоли и гораздо слабее представлен во всём остальном теле. Стоит отметить, что в почках уровень графена оставался сравнительно высоким; исследователи предположили, что некоторые частицы графена настолько малы, что могут покидать организм с мочой.

Рис. 2. Распределение графена по организму мыши через разные промежутки времени после его введения. 4Т1, КВ и U87MG — различные виды раковых опухолей. Изображение из обсуждаемой статьи в Nano Letters.

Теперь ученые решили заняться собственно лечением рака. 33 мыши получили раковую опухоль на правом плече; после этого 17-ти из них была сделана инъекция графена, а остальные остались для контроля. Через сутки после инъекции опухоли десяти инъецированных и десяти неинъецированных мышей были облучены лазером с длиной волны 808 нм, на которой графен поглощает свет особенно хорошо. Таким образом, ученые работали с одной опытной («графен + облучение») группой и тремя контрольными («только графен», «только облучение» и «ни того, ни другого»).

Опухоли опытных мышей буквально сгорели — температура на поверхности тела в месте облучения подскочила на 50° (у контрольных мышей — всего на 2°). На следующий день рак у этих мышей исчез, оставив после себя только характерный черный шрам, который заметно уменьшился спустя неделю после облучения. За все те 40 дней, что продолжалось исследование, у этих мышей не было обнаружено никаких признаков возвращения опухоли. В то же время у всех трех контрольных групп мышей рак никуда не делся, и средняя продолжительность их жизни после начала эксперимента составляла 16 дней.

Рис. 3. Типичные фотографии мышей из четырех групп, участвовавших в эксперименте. NGS-PEG — графен, покрытый полиэтиленгликолем (nanographene sheets with polyethylene glycol). Видно, что у мыши, инъецированной графеном и облученной лазером, опухоль уничтожена. Изображение из обсуждаемой статьи в Nano Letters.

Результаты были блестящими, но они бы не имели никакого смысла, если бы у метода оказались серьезные побочные действия. Однако и тут всё было безупречно: за 40 дней исследования ни одна опытная мышь не умерла, у животных не наблюдалось симптомов болезней или потери в весе; после окончания эксперимента ученые исследовали срезы внутренних органов опытных мышей и не обнаружили никаких признаков повреждений.

Рис. 4. Сравнение срезов внутренних органов «графеновых» и «неграфеновых» мышей. Healthy untreated — здоровые неинъецированные мыши, NGS-PEG treated — мыши, получившие инъекцию графена. Kidney — почки, liver — печень, spleen — селезенка, heart — сердце, intestine — кишечник, lung — легкие. Изображение из обсуждаемой статьи в Nano Letters.

Конечно, пока рано говорить, что появилась волшебная палочка, которая одним мановением вылечит всех больных. Просто это очень удачное пилотное исследование. Группы, на которых проводилось исследование, были слишком маленькими, а время эксперимента — слишком коротким, и вполне возможно, что какой-нибудь хитрый побочный эффект ускользнул от внимания ученых. Кроме того, опухоли у мышей были не «родными», выросшими в их собственном организме, а трансплантантными, то есть пересаженными. Вполне возможно, что графен в них по какой-то причине накапливается лучше, чем в «родных». Есть и несколько неясных мест в исследовании. Например, когда ученые утверждали, что выздоровевшие мыши не теряли в весе, они сравнивали их с контрольными группами, которые были больны раком и не могли не испытывать проблем со здоровьем. К тому же, мыши сами по себе гораздо чаще заболевают раком и гораздо легче выздоравливают, чем люди, и дальнейшие эксперименты на других видах животных могут опустить нас с небес на землю.

Тем не менее это исследование — отличное начало, и будем надеяться, что продолжение окажется не хуже.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Kai Yang, Shuai Zhang, Guoxin Zhang, Xiaoming Sun, Shuit-Tong Lee, Zhuang Liu. Graphene in Mice: Ultrahigh In Vivo Tumor Uptake and Efficient Photothermal Therapy. // Nano Letters. Article ASAP. Publication Date (Web): August 4, 2010. DOI: 10.1021/nl100996u.

Текст: Вера Башмакова

По материалам: