Ученые из МФТИ и Регионального центра нанотехнологий Юго-Западного государственного университета (Курск) синтезировали наночастицы для тераностики. Наночастицы оксида гадолиния Gd₂O₃, легированные ионами редкоземельных элементов, могут одновременно работать как МРТ-контрастный агент и как потенциальный сенсибилизатор для фотодинамической терапии опухолевых новообразований. Такие материалы в перспективе могут помочь сделать лечение онкологических заболеваний более эффективным и управляемым.

Кристаллическая структура Gd₂O₃ с возможными положениями атомов примесей Eu и Ho / © журнал Next Materials

Фотодинамическая терапия состоит из двух этапов: накопления сенсибилизатора в опухоли и его облучения светом для запуска реакций, приводящих к повреждению и гибели опухолевых клеток. Но процесс остается сложным для контроля, поскольку неизвестно, сколько накопилось сенсибилизатора, как он распределен в опухоли и окружающих тканях, насколько эффективно его можно активировать светом. И это одна из проблем повышения результативности терапии.

«Мы подумали: что если сенсибилизатор сможет не только участвовать в терапии, но и сам показывать, где он накопился? Это позволило бы сделать лечение более контролируемым. Мы решили использовать оксид гадолиния, поскольку соединения гадолиния уже применяются в МРТ в качестве контрастных агентов», — рассказал ведущий научный сотрудник центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, д. ф.-м. н. Максим Пугачевский.

Гадолиний обладает сильными парамагнитными свойствами, поэтому его оксидные наночастицы реагируют на внешнее магнитное поле и используются для визуализации в магнитно-резонансной томографии. Легирование таких частиц редкоземельными ионами, такими как Eu³⁺ — ион европия, Tb³⁺ — ион тербия, Yb³⁺ — ион иттербия, Ho³⁺ — ион гольмия, может придавать материалу люминесцентные свойства, работающие за счет механизма апконверсии. Апконверсия — это способность материала поглощать низкоэнергетическое излучение и преобразовывать его в более высокоэнергетическое. Это имеет особое значение для фотодинамической терапии, потому что используемые в медицинской практике красный и ближний инфракрасный свет имеют меньшую энергию, что позволяет им глубже проникать в ткани человека и меньше повреждать их, чем видимое и ультрафиолетовое излучение. Благодаря апконверсии это излучение потенциально можно использовать для активации наночастиц в более глубоко расположенных тканях.

Исследователи синтезировали наночастицы Gd₂O₃ с добавлением примесей Ho³⁺ и Eu³⁺, которые обеспечили апконверсионные свойства материала. Затем ученые проверили, как эти наночастицы ведут себя под красным светом: усиливают ли они образование активных радикалов — частиц, которые играют ключевую роль в фотодинамической терапии или, наоборот, подавляют его. Статья опубликована в журнале Next Materials.

«Механизм апконверсии уже был известен и использовался для получения люминесценции материала. Мы показали, что наночастицы оксида гадолиния за счет этого механизма могут не только давать люминесцентное свечение, но и эффективно генерировать активные радикалы, запуская окислительные реакции в окружающей среде. В сочетании с сильными парамагнитными свойствами гадолиния это обеспечивает возможность для построения фотодинамических систем нового типа», — поделился Максим Пугачевский.

Сначала ученые получили и охарактеризовали наночастицы — определили их размер, структуру, состав и наличие примесей. Затем они добавляли разные концентрации Gd₂O₃ к раствору метиленового синего, который использовали как модельную систему для изучения фотоокислительных процессов, и облучали его лазером красного света. По скорости обесцвечивания красителя исследователи оценивали, ускоряют или замедляют наночастицы фотоокислительный процесс.

«Интересным результатом для нас также оказалось, что свойства оксида гадолиния зависели от его концентрации. Мы обнаружили, что при повышенной концентрации около 10 миллимолей на литр эти частицы работают как прооксиданты. То есть при облучении они способствуют образованию гидроксильных радикалов — активных частиц, которые потенциально могут использоваться для повреждения опухолевых клеток в фотодинамической терапии.

В случае низкой концентрации около одного миллимоля на литр наночастицы, наоборот, проявляли антиоксидантные свойства и замедляли фотоокислительный процесс. Это оказалось особенно замечательным: один и тот же материал может действовать по-разному в зависимости от условий. Так, в накопленных высоких концентрациях в опухоли он будет эффективно уничтожать раковые клетки, в то же время в окружающих здоровых тканях оксид гадолиния сможет защищать клетки от окислительного стресса, вызванного терапевтической процедурой», — пояснил Максим Пугачевский.

Возможность отслеживать частицы методом МРТ и изменение их свойств в зависимости от концентрации делает эти частицы весьма перспективными для комбинированной тераностики.

Чтобы напрямую проверить образование радикалов, исследователи использовали спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) — метод анализа веществ с неспаренными электронами, с «ловушками» DMPO, которые связывают короткоживущие радикалы и делают их доступными для регистрации. Так они смогли не просто увидеть разрушение красителя, а подтвердить, что за этим стоят радикальные реакции. С помощью этого метода они доказали формирование гидроксильных радикалов, проследили их динамику во времени и оценили, как генерация радикалов зависит от интенсивности красного света.

«Мы сделали первый шаг к использованию синтезированных наночастиц оксида гадолиния в фотодинамической терапии. Следующим этапом станет проверка их эффективности и безопасности в биологических моделях: сначала на клетках, затем на животных моделях и в дальнейшем — при успешных результатах — в клинических исследованиях», — поделился Максим Пугачевский.

Кроме научных сотрудников Центра фотоники и и двумерных материалов МФТИ и Регионального центра нанотехнологий Юго-Западного государственного университета (Курск) в работе принимали участие их коллеги из Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н. И. Пирогова и Первого московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова.