Ученые доказали эффективность магнитомеханической противоопухолевой терапии
Эффект экспериментально установленного полного подавления карциномы Эрлиха с помощью использования магнетита в переменном магнитном поле объяснила междисциплинарная команда сибирских ученых, 9 февраля сообщил пресс-центр ФИЦ «Красноярский научный центр (КНЦ) СО РАН».
Ученые КНЦ СО РАН, Красноярского государственного медицинского университета (КрасГМУ), Сибирского федерального университета (СФУ) и Томского государственного университета доказали, что успешное использование магнитных наночастиц из оксида железа для лечения злокачественной опухоли карциномы Эрлиха определялось поведением наночастиц, обусловленном кардинальным изменением их магнитных свойств в переменном магнитном поле.
Проведенные ими исследования подтвердили возможность применения магнитных наночастиц для лечения злокачественных опухолей и открыли путь к внедрению такого метода лечения в медицинскую практику.
Полученные результаты ученые представили в статье «К пониманию запуска гибели злокачественных клеток при высокоэффективной магнитомеханической противоопухолевой терапии», опубликованной в Journal of Physics D: Applied Physics.
Лекарства, применяемые современной медициной для уничтожения раковых клеток, не могут действовать только на больные клетки, то есть адресно. Они разносятся кровью по всему организму, что заставляет использовать при лечении увеличенные дозы. Это приводит к тому, что сначала в организме доза лекарства значительно превышает предел токсичности, а через некоторое время концентрация активного вещества становится ниже терапевтического порога.
Разрешить эту проблему помогает новый подход к лечению опухолей — нанотераностика. В ней основную роль играет избирательность связи наночастиц с опухолевой тканью, поэтому они воздействуют именно на злокачественные клетки.
Достигается такой эффект нанесением на поверхность наночастиц специальных распознающих агентов — аптамеров, представляющих собой небольшие фрагменты ДНК. С их помощью наночастицы распознают злокачественные клетки, и активное вещество наночастиц воздействует только на опухоль, не затрагивая здоровые клетки.
Такое воздействие может быть организовано в виде лазерной гипертермии клеток: наночастицы золота связываются с внешней поверхностью мембраны раковой клетки, далее их нагревают лазерным импульсом, нагрев передается клеткам и приводит их к гибели.
По другой технологии лазерный импульс так сильно нагревает наночастицы золота, что слой воды вокруг них испаряется, создавая высокое давление паровой оболочки и мини-ударную волну, разрушающую клеточную мембрану.
В последнее время учеными исследуются возможности «холодной» магнитной нанотераностики, которая использует воздействие на организм низкочастотных магнитных полей. При этом учитывается тот факт, что с уменьшением частоты поле беспрепятственно проникает к любым органам, не вызывая неизбирательного нагрева тканей.
Эксперименты, показали, что 10-минутное воздействие переменным магнитным полем на магнитные наночастицы, сконцентрировавшиеся в пораженном органе после введения их в кровеносную систему организма, приводило опухолевые клетки к гибели.
Однако в то время исследователи объяснить полученный результат не смогли: в условиях эксперимента силы воздействия на клетки одиночных магнетитовых наночастиц было совершенно недостаточно для запуска программируемой клеточной смерти.
Чтобы разобраться в причине полученного результата, команда сибирских ученых разработала модель и изучила условия, при которых в переменном магнитном поле происходил запуск процесса гибели злокачественных клеток за счет механического движения магнитных наночастиц, связанных аптамерами с раковыми клетками.
Модель показала, что в месте расположения механорецепторов таких клеток в присутствии переменного магнитного поля наночастицы группируются, образуя жесткую структуру, обладающую коллективным постоянным магнитным моментом. Значительная величина этого момента и обеспечивает магнитомеханическое воздействие на клетки онкоопухоли, приводя их к гибели.
Координатор проекта, ведущий научный сотрудник Института физики им. Киренского СО РАН и Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ, профессор, доктор физико-математических наук Сергей Карпов пояснил суть магнитной нанотераностики:
«В основе этого способа физического воздействия на мембраны злокачественных клеток лежит использование магнетитовых наночастиц размером 10–15 нанометров, имеющих тонкую золотую оболочку или ее фрагменты. Примечательно, что материалом наночастиц является магнетит — основная составляющая обычной железной ржавчины. Такие магнитные наночастицы, будучи помещенными во внешнее переменное магнитное поле, начинают поворачиваться вдоль направления поля. Смена направления поля сопровождается поворотом наночастиц на пол-оборота. При этом, если наночастица закрепляется на внешней поверхности клеточной мембраны или на волокнах межклеточных элементов экзоскелета, ее поворот порождает механическую вытягивающую силу, передающуюся на трансмембранные механорецепторы клетки. Именно воздействие на механорецепторы при условии превышения порогового значения силы запускает апоптоз — программируемую гибель клеток».
При этом воздействие низкочастотного магнитного поля на организм гораздо менее опасно, чем лучевая или химиотерапия.
Ведущий научный сотрудник Лаборатории цифровых управляемых лекарств и тераностики ФИЦ КНЦ СО РАН, доктор биологических наук, профессор Красноярского государственного медицинского университета Татьяна Замай рассказала, что их научный коллектив «выполнил комплексное междисциплинарное исследование, позволившее получить сведения о размере, форме, составе магнитных наночастиц, напряженности магнитного поля и его частоте, необходимые для успешного лечения злокачественных новообразований с помощью магнитомеханической терапии».
Исследователи доказали, что терапия на основе наночастиц магнетита в переменном магнитном поле эффективно подавляет злокачественную опухоль — карциному Эрлиха, in vitro и in vivo.
