Химики из Университета ИТМО и Швейцарской высшей технической школы Цюриха создали люминесцентные наночастицы для визуализации опухолей и кровеносных сосудов, поврежденных при инфаркте или инсульте.
Ученые надеются, что разработка станет альтернативой токсичным квантовым точкам и позволит получать снимки глубоких тканей без вреда для организма. Исследование опубликовано в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.
Оптически активные вещества, применяемые сегодня для визуализации органов, имеют существенные недостатки. Органические агенты не универсальны и быстро расщепляются в организме. А неорганические соли и полупроводниковые наночастицы (квантовыми точки) очень токсичны. В ходе своей работы ученые создали безопасные наночастицы, способные излучать видимый спектр под действием ультрафиолета и синего света, что позволит использовать их как контрастные вещества при съемке внутренних тканей.
По словам ученых из Университета ИТМО, разработанные ими маркеры лишены недостатков квантовых точек и могут в будущем заменить их в медицинских приложениях. Новые наночастицы состоят из оксида гафния со встроенными в него ионами редкоземельных металлов, в частности европия и тербия. В этой системе редкоземельные элементы отвечают за люминесценцию, а оксид гафния играет роль прозрачной матрицы, поддерживающей это свечение.
Атомы гафния и редкоземельных металлов близки по размеру, поэтому химикам удалось сохранить правильную кристаллическую структуру оксида, заменив часть ионов гафния на редкоземельные элементы. Так ученые не только придали наночастицам необходимые оптические свойства, но и смогли предотвратить их осаждение в биологических жидкостях с нейтральной средой. Осаждение наночастиц в организме может привести к их накоплению в клетках и закупорке сосудов.
«Покрыть наночастицы стабилизатором мы не могли, ведь это бы снизило выход люминесценции. Поэтому мы допировали оксид гафния ионами редкоземельных металлов. Во-первых, они привнесли дополнительный поверхностный заряд, позволивший частицам равномерно распределяться в биологических жидкостях. А во-вторых, вводя различные «редкие земли», мы научились смещать спектр свечения наночастиц. Например, частицы с тербием дают зеленый свет, а с европием — красный. Такая настройка будет полезной для решения узких задач», — рассказал первый автор статьи, сотрудник лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий ИТМО Александра Фурасова.
Поскольку оксиды редкоземельных элементов все же обладают слабой токсичностью, исследователи проверили, как они в составе частиц влияют на плазму крови и клеточные культуры. Для этого ученые добавляли наночастицы в биологические образцы. Оказалось, что частицы стабильны в крови и не изменяют ее консистенцию, а благодаря тому, что редкоземельные ионы прочно связаны в оксиде гафния, они не нарушают жизнедеятельность клеток, выращенных в насыщенной ими питательной среде.
«Для эксперимента мы выбрали легочные фибробласты и мезенхимальные стволовые клетки, поскольку первые наиболее распространены в соединительной ткани, а вторые могут превращаться в различные типы клеток. В течение трех суток мы наблюдали за жизненным циклом клеточных культур и не выявили токсических эффектов ни у чистых, ни у допированных наночастиц оксида гафния. То есть в перспективе их можно использовать в медицине», — пояснила Анна Фахардо, сотрудник лаборатории растворной химии передовых материалов и технологий.
В дальнейшем ученые планируют использовать наночастицы из оксида гафния не только для визуализации опухолей, но и для их терапии. Под воздействием рентгеновских лучей атомы тяжелых элементов способны ионизировать молекулы воды вокруг себя. Те превращаются в так называемые свободные радикалы, которые начинают убивать соседние клетки. Этот метод борьбы с раком применяется единичными зарубежными компаниями и пока не может конкурировать с химиотерапией по цене, но считается более безопасным, поскольку с его помощью можно локально лечить опухоли, в том числе головного мозга.