Команда ученых Южного федерального университета разработала композитный материал на основе наночастиц, рассматриваемый для потенциальных применений в области лечения и диагностики злокачественный опухолей методом рентгеновской фотодинамической терапии (XPDT).

«Подход – инновационный и в отличие от классической фотодинамической терапии его можно использовать для лечения глубоколежащих патологических тканей. Он основан на трех компонентах: наночастицах рентгеновских люминофоров (способных эффективно трансформировать энергию поглощенных рентгеновских фотонов в оптический сигнал), специального фоточувствительного вещества – фотосенсибилизатора (способного в возбужденном состояние приводить к генерации активных форм кислорода) и возбуждающего ионизирующего излучения (в рентгеновском или гамма-диапазонах)», – отметил доктор физико-математических наук, профессор, научный руководитель направления ЮФУ Александр Владимирович Солдатов.

Принцип работы подобных систем продемонстрирован на рисунке ниже. Генерируемые в рамках такого подхода активные формы кислорода способны эффективно разрушать патогенные клетки и ткани патогенных новообразований.

Разработанные композитные материалы состоят из ядра на основе сцинтиллирующих наночастиц на основе BaGdF₅, допированных атомами лантаноидов (Eu, Tb), и оболочки, сформированной мезопористым оксидом кремния m-SiO₂, в последующем пропитанным фотосенсебилизатором на основе молекулярных красителей Rose Bengal или Methylene Blue, обеспечивающих эффективную генерацию активных форм кислорода.

Результаты микро-КТ исследования внутренних органов лабораторной мыши (линии balb/c) при внутривенном введение частиц композита на основе BaGdF₅ / ©Пресс-служба ЮФУ

Размер ядра композита составляет 15–20 нм. Небольшой размер наночастиц обеспечивает эффективную транспортировку вещества по капиллярам. В рамках работ по проекту была отработана методика, позволяющая варьировать размер оболочки, что, в свою очередь, помогает регулировать расстояния между ядром и молекулами фотосенсибилизатора и тем самым оптимизировать механизм переноса энергии. Кроме того, полученное вещество нетоксично и биосовместимо, то есть не вызывающим негативных реакций в организме.

Слева – общий вид установки (фронтальная часть экранирующего свинцового кожуха не показана). Справа – принцип работы установки: падающий на образец рентгеновский пучок показан синим цветом, в то время как оптический сигнал, генерируемый исследуемым рентгеновским люминофором и попадающий в область окошка детектора спектрофотометра показан в виде зеленого конуса. Расходящийся рентгеновский пучок ограничен свинцовым цилиндром / ©Пресс-служба ЮФУ

Биологические исследования разработанных систем проведены в тесном сотрудничестве с Национальным медицинским исследовательским центром онкологии (Ростов-на-Дону). В частности, в рамках in vivo экспериментов с помощью микро-КТ диагностики исследовано распределение нанокомпозита в организме лабораторных мышей. Показано и то, что наночастицы разработанного композита могут служить как эффективные контрастные агенты для КТ исследований внутренних органов.

Фото установки с системой защитного кожуха / ©Пресс-служба ЮФУ

Для исследования оптической флуоресценции под воздействием рентгеновского излучения в МИИ интеллектуальных материалов был спроектирован и создан специальный измерительный стенд на основе рентгеновской трубки РАП-90 и флуориметра Agilent Сагу Eclipse. Помимо исследования оптических свойств рентгеновских люминофоров установка также позволяет осуществлять контроль генерации активных форм кислорода. Полученные в ходе исследования результаты позволят развивать технологии персонализированной медицины в области тераностики глубоких и поверхностных форм опухолей.

Результаты работ в рамках реализации гранта Российского научного фонда опубликованы в высокорейтинговых международных журналах (Q1 по Scopus).