ИСТОРИЯ МЕДИЦИНЫ
Проект кафедры истории медицины Российского университета медицины
12.06.2017
Разработаны самые маленькие в мире лазеры, эффективные против рака
Группа американских и российских учёных создала мельчайшие плазмонные нанолазеры (спазеры), которые найдут применение в диагностике и лечении онкологических заболеваний. Об этом сообщает издание Сибирского отделения РАН "Наука в Сибири".
Исследователи из Арканзасского университета медицинских наук (США), Института автоматики и электрометрии СО РАН, Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН и Университета штата Джорджия (США) разработали 22-нанометровый спазер, способный генерировать когерентное оптическое излучение непосредственно внутри живых клеток и тканей организма. Его предлагается использовать в качестве сверхъяркого водорастворимого биологически совместимого зонда.
Этот плазмонный нанолазер складывается из нескольких составляющих: резонатора, представляющего собой частицу золота, которая поддерживает плазмонный резонанс, и изоионной изопористой оболочки, заполненной красителем (в данном случае — уранином, он излучает в области 520 — 530 нанометров, что совпадает с плазмонным резонансом золотой наночастицы, хорошо растворим в воде и физиологическом растворе, благодаря чему широко используется в медицине). К оболочке "пришивается" фолиевая кислота — таким образом спазер приобретает молекулярную адресность для раковых клеток и не взаимодействует со здоровыми.
Когда эти плазменные нанолазеры вводятся в организм, сначала они поодиночке или небольшими группами скапливаются на границе мембраны раковой клетки. А затем, после десятиминутной выдержки, проникают в цитоплазму. При этом они нагреваются, и их становится легко визуализировать с помощью различных оптических методов.
"Мы продемонстрировали режим генерации, связанный с формированием вокруг этого спазера динамического нанопузырька, что приводит к гигантскому лазерному эффекту с интенсивностью излучения в 100 раз большей и спектральной шириной раз в 30 уже, чем для квантовых точек", — говорит заведующий лабораторией физики лазеров Института автоматики и электрометрии СО РАН доктор физико-математических наук Александр Иванович Плеханов.
Спазеры могут не только визуализировать раковые клетки, но и убивать их. При значительном превышении порога генерации излучения, за счёт того, что металлическая сердцевина поглощает его, вокруг плазмона образуется нанопузырёк пара, который и разрушает опасную клетку — сначала цитоплазму, потом мембрану. Причем всё это работает при энергиях более низких, чем требуются по стандартам лазерной безопасности.
"Мы изучили цитотоксичность наших спазеров на растворе с клетками рака молочной железы и выяснили: их содержание вплоть до 10 миллиграммов на миллилитр раствора — для достижения терапевтического эффекта необходимо гораздо меньше — не является опасным, — комментирует исследователь. — То есть, когда спазеры заходят в раковую клетку, они её не убивают. Но если воздействовать лазерным излучением, то она гибнет из-за того, что образующаяся конструкция разрывает раковую клетку изнутри. В то же время они (спазеры — прим.ред.) не реагируют на здоровую клетку, независимо от того, есть там лазерное излучение или нет".
Диагностический потенциал спазеров продемонстрирован и в опытах с раствором раковых клеток, и в экспериментах на мышах: отмеченные раковые клетки в токах крови и лимфы отлично видны через живую ткань.
"Мы продемонстрировали универсальные функциональные возможности спазеров в различных биологических условиях — клеточные цитоплазмы, пробирки, ткани мышей в естественных условиях — и установили, что спазеры могут служить в качестве малотоксичных зондов с молекулярной специфичностью и высокой спектральной яркостью, которой невозможно достичь с помощью квантовых точек. Удалось показать эффективность плазмонных нанолазеров как фототепловых и фотоакустических контрастных средств диагностики и терапии", — заключает Александр Плеханов.
Сейчас исследователи работают над тем, чтобы сделать спазер, который работал бы в инфракрасной области. Тогда станет возможным улучшить некоторые показатели, например, прозрачность тканей.
Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Кстати, ранее учёные предсатвили нанолазер размером с вирусную частицу. Тем временем в лечении рака показали свою эффективность кремниевые наночастицы, а также "озлобленные" бактерии.
Исследователи из Арканзасского университета медицинских наук (США), Института автоматики и электрометрии СО РАН, Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН и Университета штата Джорджия (США) разработали 22-нанометровый спазер, способный генерировать когерентное оптическое излучение непосредственно внутри живых клеток и тканей организма. Его предлагается использовать в качестве сверхъяркого водорастворимого биологически совместимого зонда.
Этот плазмонный нанолазер складывается из нескольких составляющих: резонатора, представляющего собой частицу золота, которая поддерживает плазмонный резонанс, и изоионной изопористой оболочки, заполненной красителем (в данном случае — уранином, он излучает в области 520 — 530 нанометров, что совпадает с плазмонным резонансом золотой наночастицы, хорошо растворим в воде и физиологическом растворе, благодаря чему широко используется в медицине). К оболочке "пришивается" фолиевая кислота — таким образом спазер приобретает молекулярную адресность для раковых клеток и не взаимодействует со здоровыми.
Когда эти плазменные нанолазеры вводятся в организм, сначала они поодиночке или небольшими группами скапливаются на границе мембраны раковой клетки. А затем, после десятиминутной выдержки, проникают в цитоплазму. При этом они нагреваются, и их становится легко визуализировать с помощью различных оптических методов.
"Мы продемонстрировали режим генерации, связанный с формированием вокруг этого спазера динамического нанопузырька, что приводит к гигантскому лазерному эффекту с интенсивностью излучения в 100 раз большей и спектральной шириной раз в 30 уже, чем для квантовых точек", — говорит заведующий лабораторией физики лазеров Института автоматики и электрометрии СО РАН доктор физико-математических наук Александр Иванович Плеханов.
Спазеры могут не только визуализировать раковые клетки, но и убивать их. При значительном превышении порога генерации излучения, за счёт того, что металлическая сердцевина поглощает его, вокруг плазмона образуется нанопузырёк пара, который и разрушает опасную клетку — сначала цитоплазму, потом мембрану. Причем всё это работает при энергиях более низких, чем требуются по стандартам лазерной безопасности.
"Мы изучили цитотоксичность наших спазеров на растворе с клетками рака молочной железы и выяснили: их содержание вплоть до 10 миллиграммов на миллилитр раствора — для достижения терапевтического эффекта необходимо гораздо меньше — не является опасным, — комментирует исследователь. — То есть, когда спазеры заходят в раковую клетку, они её не убивают. Но если воздействовать лазерным излучением, то она гибнет из-за того, что образующаяся конструкция разрывает раковую клетку изнутри. В то же время они (спазеры — прим.ред.) не реагируют на здоровую клетку, независимо от того, есть там лазерное излучение или нет".
Диагностический потенциал спазеров продемонстрирован и в опытах с раствором раковых клеток, и в экспериментах на мышах: отмеченные раковые клетки в токах крови и лимфы отлично видны через живую ткань.
"Мы продемонстрировали универсальные функциональные возможности спазеров в различных биологических условиях — клеточные цитоплазмы, пробирки, ткани мышей в естественных условиях — и установили, что спазеры могут служить в качестве малотоксичных зондов с молекулярной специфичностью и высокой спектральной яркостью, которой невозможно достичь с помощью квантовых точек. Удалось показать эффективность плазмонных нанолазеров как фототепловых и фотоакустических контрастных средств диагностики и терапии", — заключает Александр Плеханов.
Сейчас исследователи работают над тем, чтобы сделать спазер, который работал бы в инфракрасной области. Тогда станет возможным улучшить некоторые показатели, например, прозрачность тканей.
Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Кстати, ранее учёные предсатвили нанолазер размером с вирусную частицу. Тем временем в лечении рака показали свою эффективность кремниевые наночастицы, а также "озлобленные" бактерии.
По материалам сайта ВЕСТИ.РУ