Ученые Национального технологического университета «МИСиС» совместно с коллегами из индийского Института ядерной физики имени Саха, смогли синтезировать стабильные золотые наночастицы в форме звезд для борьбы с онкологическими заболеваниями. Недорогие и нетоксичные наночастицы позволят эффективно диагностировать рак на ранних стадиях и точечно уничтожать пораженные клетки. Результаты исследования опубликованы 14 сентября 2017 года в научном издании Journal of the Chemical Society.

Сегодня в медицине активно используются плазмонные наноматериалы на основе серебра и золота. Плазмонными называют наноструктуры, проявляющие необычные оптические и физические свойства, обусловленные колебанием свободных электронов внутри них. Само колебание зависит от формы и размера наночастиц. Такие наночастицы имеют широкое биомедицинское применение - они используются в геномике, биосенсорике, иммуноанализе, лазерной фототерапии раковых клеток, адресной доставке лекарственных препаратов, ДНК и антигенов, биоимиджинге и мониторинге клеток и тканей.

Приповерхностные молекулы наночастицы из золота значительно усиливают сигнал комбинационного рассеяния, то есть при свечении лазера наблюдается обратный яркий отблеск. Использование серебра в таком же эксперименте дает меньший сигнал комбинационного рассеяния, кроме того, этот металл более токсичен. Именно наночастицы из золота способны приумножить данный сигнал во много раз и ярко светиться при скоплении даже небольшого количества молекул, поэтому с их помощью можно диагностировать рак на самых ранних стадиях.

Однако у плазмонных наночастиц на основе золота есть существенный недостаток: при введении в кровь они начинают агрегировать (слипаться) под воздействием слишком большой для них концентрации хлорида натрия. В итоге сосуды засоряются, и доставить наночастицы к пораженным тканям становится невозможно. Молодые ученые Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» под руководством профессора Дулала Сенапати из Института ядерной физики имени Саха смогли решить эту проблему. Они синтезировали стабильные наночастицы на основе золота, которые не агрегируют при введении в кровь и обладают высокой эффективностью в спектроскопии комбинационного рассеяния.

Доставка наночастиц к опухоли может осуществляться двумя способами. В первом - «золотой» магнитный наносердечник вводится прямо в опухоль, после чего при помощи магнитного поля золотые наночастицы концентрируются около него. Во втором - наночастицу специально покрывают антителами, составляющими пару антителам, свойственным некоторым видам раковых опухолей. В результате антитела «сцепляются», и наночастицы осаждаются на опухоли.

Оказалось, что выгодно создавать наночастицы именно в форме звезд, так как они более эффективны при фототермальной терапии. Когда частица добирается до пораженного участка, на нее начинают воздействовать лазером, она поглощает свет и фокусирует его наподобие линзы, направляя его точечно в острый край звезды. Затем этот свет преобразуется в огромное количество тепла, около 4500-5000 градусов по шкале Цельсия, которое концентрируется на кончике звезды.

Генерируемый таким образом тепловой поток разрывает мембрану раковой клетки и уничтожает ее, не оказывая негативного воздействия на здоровые клетки. Наночастицы в форме звезд поглощают свет на длине волны 600-900 нанометров, потому что именно в этой области спектра тело человека прозрачно для излучения. Большинство биологических молекул в этой области спектра не способны поглощать свет.

Синтезируют золотые наночастицы в водном растворе с использованием витамина C, поэтому они нетоксичные и недорогие. По предварительным оценкам, себестоимость раствора объемом 100 микролитров составляет около 50 рублей.

Работа над технологией проводилась при участии специалистов Российского онкологического центра имени Н.Н. Блохина. Сейчас ученые работают над улучшением частиц - пытаются синтезировать другие типы звезд.