Лекция: Наночастицы и наноматериалы в медицине — фотодинамика, фототермия и сонодинамика

Перейдем к нашей сегодняшней лекции. Поговорим про наноматериалы, наночастицы, вернее. Расскажет нам об этом Полина Рудаковская, научный сотрудник Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха, кандидат химических наук, автор примерно 40 научных публикаций, победитель грантовых конкурсов Российского научного фонда. Давайте ее поприветствуем бурными аплодисментами.

Добрый день. Спасибо вам большое, что вы сегодня пришли. Мне кажется, вы уже достойны подарка, потому что вообще уникальная погода, и в неё прийти и слышать вечером в четверг лекцию. Спасибо вам за это уже большое. Постараюсь оправдать, что вы сюда пришли. Надеюсь, вам будет интересно.

Итак, я так встану, чтобы мне и вас было видно, и лекцию. Мы начнём с того, о чём мы будем сегодня рассказывать. Мы будем говорить с вами про наночастицы и про наноматериалы. Что такое нано? Я думаю, аудитория у нас подготовленная. Это 10 минус 9. Частица — это некий фрагмент материи.

А в чём разница наночастиц и наноматериалов? Наночастицы – это как кирпичики, из которых построен дом. Наноматериал не обязан быть наноразмера. Вот это, на самом деле, очень важный момент, который часто путают, и мы об этом будем довольно много говорить сегодня и будем к этому часто возвращаться, потому что когда мы говорим о том, что особые свойства наночастиц, то свойства особые появляются и у наноматериала. Но наноматериал не обязан быть размера 10-9. Он может быть гораздо больше, если это некие фрагменты, собранные из наночастицы.

Почему же наночастицы обладают особенными свойствами? Если мы представим с вами сферу размером 1 мм, то путем несложных вычислений мы посчитаем площадь и объем и найдем соотношение площади к объему. И это будет порядка 60. А что же произойдет, если мы возьмем с вами размер этой сферы 1 нанометр? То у нас с вами соотношение увеличится от 60 до 60 миллионов. То есть у нас в миллион раз отношение площади поверхности к объему увеличится. При этом размер частиц, помните, мы уменьшили до 10-9, до 1 нанометра.

Отсюда возникают особые свойства наночастиц. Соотношение площади поверхности к объёму даёт нам эти особые свойства. Какие? В первую очередь, реагирует всегда поверхность. Значит, реакционная способность, можно сказать, вырастет в тот же самый миллион раз. Что ещё будет происходить? Мы будем изменять свойства материала. Если у нас кусок золота имеет золотой цвет, как мы все представляем, то наночастицы уже обладают совершенно другим цветом. Наночастицы могут быть и красными, и зелёными, и синими, целый спектр.

Почему это происходит? Потому что меняется плазмонный резонанс, появляются оптические эффекты. Наночастицы, за счёт того, что они такие маленькие, преломляют и отражают свет. Какие еще свойства? А раз они такие маленькие, то они легко могут проникать в поры. И об этом мы сегодня тоже с вами будем говорить. О том, как наночастицы могут проникать в межклеточные пространства и что тогда происходит.

Ну и, конечно, функциональная поверхность – это возможность модификации её, функционализация, значит, наночастицы могут становиться так называемыми «умными» материалами, когда мы на поверхность пришиваем различные фрагменты. Но давайте пройдём от истории, когда появились первые наночастицы. Если говорить именно об их получении, то первыми наночастицами были наночастицы в IV веке до н.э.

Что же это за наночастицы? Первые чернила, которыми рисовали на Востоке, они состояли из тщательно перетёртой сажи. Для того, чтобы перетереть как можно мельче, туда добавляли различные масла. И уже сейчас, изучая гравюры того времени, учёные обнаружили, что чернила состояли из наночастиц сажи. Вот такое первое появление наночастицы, которое дошло до наших дней.

Какие ещё были наночастицы уже IV века нашей эры? Кубок Ликурга. Поднимите руки, кто слышал о нём. Чем знаменит кубок Ликурга? На самом деле, давайте сначала с легенды начнём. Эти кубки создавались для того, чтобы определить, поднесли яд или нет. То есть считалось, что в зависимости от того, добавлен в вино яд или не добавлен в вино яд, цвет этого кубка будет изменяться от красного до темно-зеленого. Смотрели на свет, примерялись и определяли, умрет или нет император.

На самом деле, это миф, потому что цвет кубка Ликурга меняет в зависимости от того, как проникает через него солнечный, дневной или вечерний свет. Поэтому на самом деле цвет зависел от того, какое время дня, когда употребляли вино. Итак, но почему всё-таки этот кубок действительно может изменять цвет и иметь несколько окрашиваний? На самом деле, этот кубок, именно Ликурга, сохранился. Он находится в Британском музее. И провели сейчас уже спектроскопический анализ и показали, что там смесь наночастиц золота и наночастиц серебра. И именно это соотношение даёт такие изменения при различном пропускании света.

Как умудрились на тот момент в IV веке получить смеси коллоидных наночастиц золота и серебра и подобрать ещё таким образом, чтобы свет проникал по-разному, остаётся, наверное, загадкой. Но вот кубок дошёл до наших дней. Стекло такое является дихроичным.

И очень интересная такая отсылка сейчас будет к настоящему времени, что такое дихроизм и метод кругового дихроизма. Дихроизм — это явление, состоящее из поглощения веществом света различного в зависимости от его поляризации. У нас наночастицы в этом кубке — золото и серебра. Как раз за счёт того, что поляризация этих частиц разная, то в зависимости от прохождения света цвет кубка менялся.

А сейчас метод кругового дихроизма используется для определения состояния материалов, в том числе наноматериалов, таких как белки, таких как полимеры и в том числе таких как суспензии наночастиц. Вот такая отсылка к нам от IV века. В Триневековье наночастицы тоже активно получали. И здесь уже был широкий спектр наночастиц. Это и золото, и серебро, о которых мы уже говорили. Появляются медь, кадмий и другие металлы. И научились получать их коллоидные суспензии.

Конечно, никто не говорил о том, что это наноразмер внутри этой суспензии. Это уже сейчас, изучая стекла и витражи, стали смотреть, что в зависимости от области, смотря каких минералов было больше, витражи отличались по цветам, по интенсивности и, соответственно, по стилю окрашивания.

А уже в наше время была проведена такая красивая работа, когда, по сути, в какой-то степени воспроизвели свойства витражей и получили наночастицы очень широкого спектра цветов, которые могут окрашивать стекло, в том числе в мульти цвета, которые меняют цвет в зависимости от прохождения света. Здесь основаны они на смеси различных металлов, поэтому и цвета меняются.

Ну и уже ближе к нам кремлевские звезды. Здесь тоже ходит много легенд о том, что кремлевские звезды состоят из настоящих рубинов, но всё-таки это рубиновое стекло. А что собой представляет рубиновое стекло? Это коллоидная суспензия золота, равномерно распределенная в оксиде кремния. И именно за счёт этого кремлевские звезды имеют такое равномерное интенсивное красное свечение.

Ну а здесь приведены наночастицы, которые являются коллоидно-стабильным раствором золота, который может храниться долгие-долгие годы. Известен факт, что опять же в Британском музее хранится раствор Фарадея, наночастицы золота, которые были получены Фарадеем в 1857 году. И до сих пор этот коллоидный раствор является стабильным. Если не украдут, как из Лувра, украшения, то пока стабильны.

Итак, наночастицы. Их достаточно много. Их делают буквально из всей таблицы Менделеева. И применений очень много. Это и материаловедение, и даже в том числе, может быть, различные области, сельское хозяйство, техника. Но сегодня мы с вами будем говорить о медицине.

Но немножко, опять же, исторических фактов, когда наночастицы в медицине стали появляться. Ну, конечно, хочется сказать, что первые наночастицы в медицине были, когда говорили, что серебряную ложечку надо положить в чашку, потому что всё-таки наночастица, её на серебра там появлялись. Ну и когда ядами травили, яда тоже многие имеет наноструктурированную форму.

Но если говорить о наномедицине, которая действительно вошла в практику, то первые — это 1960-е годы, когда появились первые липосомы. И авторы этих работ, на самом деле, родом в том числе из России, мы можем гордиться ими. История создания липосом, она в том числе имеет российские корни. Создание первых нанокапсул для доставки лекарств.

И в 1995 году первая одобренная нанолекарственная форма доксорубицина — доксил. В 2000-х появляется бум наномедицины, бум нанопрепаратов, уже разрешённых, на самом деле. То есть в 1995-м это первые лекарства выведены в клинику, и бум статей появляется по наноматериалам, по наночастицам.

А вот уже к 2000-м выходят в практику те, которые дошли до той самой клинической практики, те единицы. Ну и в 2020-м мы все понимаем, с чем это было связано. Эмморна вакцина — это то, что тоже получает активное развитие, и это тоже на самом деле наномедицина.

Основной проблемой всё-таки, которую большинство хотят решить и с которой связана, скажем так, основной пул работ по наночастицам – это поиск терапии онкологии, потому что второе заболевание в мире по смертности – это онкологические заболевания. И на данный момент существует вот такое множество только вышедших в клиническую практику материалов, которые являются терапией для онкологии.

И при этом мы говорим о том, что универсального средства, универсальной терапии рака пока не существует. Есть направления, которыми надо заниматься. Какие есть материалы? Это основанные на липидной формуле, основанные на белковых формуляциях. Но это всё просто стабилизация химиотерапии. Это стабилизация терапевтических препаратов.

Других типов, выведенных именно в клиническую практику, такими единицами является фотодинамическая терапия, тоже метод, который родом из России и у нас активно применяется. Я о нём сегодня буду подробно рассказывать, на чем основан метод фотодинамической терапии. И дальше он получает сейчас активное развитие.

Но всё-таки в клинической практике в основном это стабилизированные препараты для химиотерапии. Чем опасна химиотерапия? Тем, что мы всё-таки отравляем весь организм. Интоксикация идёт полностью. Наночастицы пытаются решать эти проблемы. Каким же образом, какие стратегии разрабатываются в наномедицине для лечения онкологии, для лечения рака?

Во-первых, разрабатывают наноматериалы, наночастицы. Разрабатываются материалы для диагностики на основе наночастиц. Это материалы для МРТ, для КТ. Также мы в конце поговорим о том, когда это всё объединяется в одном наноматериале, когда это собирается на единых частицах. Нанотерапия – это в основном стимулчувствительные системы, о которых мы сегодня больше всего будем говорить, и комбинированная терапия, когда несколько методов обеспечивают специфику. Иммунотерапия – это адресная доставка и усиление активности путём иммуномодуляторов.

И теперь как раз переходим к стимулу чувствительной наномедицине. Какие это у нас препараты? Это термочувствительные, это фотодинамическая терапия, фототермическая терапия и активация различными супрессорами. Давайте начнём с плазмонной фототермической терапии. На чём она основана? Мы знаем, что если лазер попадает на наночастицу золота, то происходит её локальный разогрев.

А как вы считаете, всё-таки что у нас лучше разогревается – наночастица или ткани? Что быстрее будет разогреваться? Наночастицы, совершенно верно, потому что теплопроводность наночастиц гораздо выше. Поэтому наночастицы будут активно разогреваться, и происходит локальное сжигание опухолевых клеток. На этом основана как раз фототермическая терапия.

Такой эксперимент был проведён на группе лабораторных животных. Здесь была взята очень большая группа. В 2009 году уже проведены исследования, когда сравнивали наночастицы и просто контрольные образцы. В случае, когда использовали наночастицы золота с лазером, то опухоль полностью уходила. Использовали наночастицы золота, но здесь, что важно, их использовали с вторичными антителами. Для чего здесь нужны антитела? Когда наночастица запускают в кровоток, то они равномерно распределяются по организму.

Хотя бывают и другие случаи, мы сегодня будем говорить об адресной доставке не специфической, но всё-таки препарат равномерно распределяется по организму. Если мы пришиваем адресный легант, то это уже возможность прийти непосредственно к опухолевым клеткам наночастиц. И дальше был локальный разогрев лазером инфракрасным для разогрева наночастиц золота, для того чтобы раковые клетки умерщвлялись. Разогрев шёл до 42-43 градусов, и мы видим по результатам, что действительно опухоль сходит на нет.

Такой же метод, схожий метод разогрева, но на основе магнитных наночастиц. Наночастицы, основанные на оксиде железа, так называемые шпионы. Они основаны на оксидах железа, это либо магнетит, либо другие производные соединения. Что с ними происходит? Какое главное свойство? Это возможность управления магнитным полем и возможность разогрева переменным магнитным полем. Разогрев здесь идёт уже не за счёт лазерного воздействия, а за счёт переменного магнитного поля, который вызывает локальное движение наночастиц, соответственно, разогрев необходимый для терапии.

Такие исследования проводились на глиобластоме в 2011 году, было показано. И вот как мы видим, эти исследования проводились уже на мозге человека. Почему такое возможно? Глиобластома – очень тяжёлый вид онкологии. И когда речь идёт о том, что у пациента не было других вариантов, то была предложена терапия, которую можно было попробовать, скажем так, терапия исследовательская.

И действительно она показала хорошие результаты, она продлила, вот есть данные в этой статье, она продлила жизнь на несколько, ну там на полтора года, получается, было показано, что на полтора года несколько пациентов жизнь была продлена. Это хорошие результаты для такой тяжёлой и активной опухоли, как глиобластома. И здесь были наночастицы магнетита, в том числе терапия была дополнительная.

Все-таки что такое эти магнитные наночастицы? А магнитные наночастицы появляются много где. Мы с вами с ними столкнулись в магнитной гипертермии, но это не самое распространённое их использование. Сначала я бы хотела на следующий слайд перейти и поговорить об их составе, а потом мы вернёмся и поговорим, где их применяют.

Итак, что же такое эти спиновые? Это superparamagnetic iron oxide nanoparticles. То есть это оксиды железа. Оксиды могут быть разные. Это могут быть как магнетит, так магемит, так и гематит. И они обладают различными магнитными свойствами в зависимости от их структуры. На самом деле, чаще всего они находятся в смеси. Они находятся в каком-то соотношении. Какое-то количество магнетита в структуре, какое-то количество магемита.

Как мы видим, магнетит – это Fe3O4, где у нас идёт структура шпинели. И соотношение определённое: железо 2 плюс к железу 3 плюс, тогда как магемит – это окисленная формула оксида железа. И у нас частичное окисление присутствует практически всегда, если мы работаем с системами, в которых есть доступ к кислороду. Важно именно соотношение и стабилизация наночастиц, и их размер. В зависимости от размера частицы будут либо суперпарамагнитными, либо ферримагнитными, либо ферромагнитными. И это будет влиять на возможности их применения.

Также наночастицы-магнетиты, как я сказала, нужно стабилизировать. Можно не только стабилизировать, но и модифицировать. Отсюда появляются частицы типа Януса, когда у нас одна часть частицы – это, например, магнетит, а вторая часть – это наночастица золота. Таким образом, мы можем совместить в одной структуре различные функционалы. Может быть, ядро магнитное, а оболочка золотая. Тогда мы совмещаем функционал другим образом. Мы перемещать можем магнитным полем, а модифицировать можем только оболочку золотую. Это по типу ядро-оболочка.

Может быть матриксная система, когда у нас обычно в полимерную матрицу вводятся наночастицы магнетита, терапевтический препарат, и всё это совмещено в едином наноматериале. Что очень важно для наночастиц магнетита? Это стабилизация оболочки либо органическими элегантами, либо низкомолекулярными, либо высокомолекулярными. Но обязательно стабилизация, потому что наночастицы и магнетиты между собой очень любят объединяться и образовывать большие комочки макроразмера. И в результате что будет получаться? Они не будут уже являться наноматериалом и не будут подходить для работы с живыми организмами.

К сожалению, именно поэтому были выведены из применения наночастицы магнетита для МРТ-контрастирования. В 90-х годах было выведено целых 5 материалов на основе магнетита в качестве МРТ-контрастов. И к 2005 году были выведены четыре из них по причине так называемой посттоксичности. Что это такое? Наночастицы магнетита, как положено большинству наночастиц, выводятся через почки и печень, они выходили через печень. Но возникало последствие. Наночастица магнетита при частом исследовании МРТ начинали объединяться в большие агломераты и образовывались в печени большие конъюгаты из наночастиц магнетита, не способные уже выходить из печени. Соответственно, такой магнитный комок. Вот эта посттоксичность, которая проявилась спустя около 5-7 лет в Европе, потому что стали слишком часто использовать МРТ с контрастированием. В результате были выведены 4 из 5 препаратов. Один оставлен на тот случай, когда действительно необходимость проведения МРТ-контрастирования с оксидами железа высокая, потому что есть их аналоги. Это МРТ-контрастирование другого типа, использование ионов гадолиния.

Для чего ещё используются наночастицы магнетита? Это лечение анемии. Мы знаем, что у нас в крови много железа, а вот если его не хватает, возникает такая проблема, как анемия. И вот наночастицы, способные высвобождать, а особенно медленно высвобождать в течение длительного времени, есть такие препараты, которые высвобождаются в течение недели, в течение двух недель. И вот такое разовое употребление таких препаратов положительно влияет на лечение анемии, потому что именно введение ионов железа постепенно и в течение длительного времени помогает при лечении анемии. А вот употребление аналогичного варианта таблеток регулярно, к сожалению, не так хорошо помогает справиться с этой проблемой.

Магнитная гипертермия, о которой мы с вами поговорили, но ещё есть такой метод, как магнитная фильтрация крови, когда магнитными, тоже управлением магнитным полем, очищают кровь. Переходим к фотодинамической терапии, той самой, которая широко распространена уже сейчас в клинической практике. В чем заключается основа фотодинамической терапии? Есть препараты органические, широкого спектра: хлорин Е6, его производные, парферины. При воздействии на них лазера определённой длины волны препарат меняет свою конфигурацию таким образом, что становится токсичным. То есть, когда препарат вводится в организм человека, он не проявляет токсичность, так называемая темновая токсичность отсутствует.

А вот когда воздействие идёт лазером непосредственно, то токсичность появляется. Но если мы будем говорить о введении в кровоток просто органического вещества, то слишком высокая нужна концентрация препарата, чтобы она накопилась в нужном количестве в опухоли. Несмотря на то, что фотодинамические препараты имеют сродство к опухоли, так называемое неадресное накопление в опухоли фотодинамических препаратов. Но всё равно это не самый оптимальный метод, возникает всё равно в какой-то степени темновая токсичность, поэтому используют наночастицы, в которые внедряются фотодинамические препараты, и дальше идёт адресная доставка или взаимодействие совместной наночастиц, усиление наночастицы и фотосенсибилизатора.

Так, например, используют для лечения опухолей хлорин Е6, фотодинамический препарат. Добавляют туда золотые наночастицы для того, чтобы усиливать эффект. Идёт, по сути, комбинация фототермического и фотодинамического эффекта за счёт наночастиц золота и фотодинамического препарата.

Для чего здесь нужен полиэтиленгликоль в структуре? Для того, чтобы препарат дошёл до опухоли. Это некая защитная оболочка полиэтиленгликольная, которая позволяет по кровотоку дойти до опухоли препарату. Здесь мы видим схему того, как работает фотосенсибилизатор. Под воздействием лазера идёт высвобождение активных форм кислорода. Активные формы кислорода бывают разные. Это и триплетный кислород, и синтетный кислород. Разные могут быть. И бывает разная активность. Синтетный кислород в данном случае высвобождается для терапии опухоли.

Новое направление, потому что фотодинамика имеет свои ограничения. Какие это ограничения? Лазер нужно доставить непосредственно к опухоли. Нельзя просто посветить на человека, тогда токсичность будет общая. Нам нужно лазер непосредственно к опухоли доставить. Когда мы говорим о фотодинамике, мы ограничены тем, куда можно подсветить лазером. Соответственно, это в основном либо меланома, то есть явление опухоли на коже, либо слизистая оболочка, до которой может достать лазер. Это может быть либо эндоскопически, либо операционно, но все равно это не все опухоли.

А что же может достать до любого участка нашего организма? Это ультразвук. Ультразвук у нас может достать до любого органа в нашем организме. И учёные решили посмотреть, а может ли ультразвук активировать такие препараты фотодинамические, активные. И оказалось, на самом деле, у нас есть тоже такие разработки, сейчас ведутся, что… Асюша этим как раз занимается. У нас тут какая-то отсылочка такая. Что фотодинамические препараты активируются в том числе ультразвуком терапевтическим. То есть воздействие ультразвуком активирует необходимое изменение структуры и высвобождение активных форм кислорода.

А если мы говорим о переходе от фото к сонодинамике, то мы уже не ограничены опухолями. Мы можем применять это в целом на весь организм, где опухоль будет располагаться, потому что проникновение ультразвука гораздо глубже по сравнению с лазером. Такие исследования были проведены. В 1922 году показаны исследования, где смотрели воздействие на опухоль почек и с добавкой иммунной активации, и действительно терапия прошла успешно. Группа животных была вылечена при помощи сонодинамического без фотодинамического воздействия. Это на самом деле очень важный результат, потому что большинство пока экспериментов показывает, что фото с сонодинамикой должны идти вместе, то есть нужна комбинация фотодинамики и сонодинамики. Но вот есть успешные результаты, когда используют только ультразвук, и терапия прошла успешно.

Если мы говорим с вами об ультразвуке, то хотелось бы упомянуть еще одно направление, когда мы можем использовать ультразвук для терапии. Каким образом? Есть такой тип частиц типа ядро-оболочка, когда внутри у нас жидкое ядро, а оболочка из нескольких слоев полимеров состоит. Соответственно, здесь важно, какое это жидкое ядро. Размер этих частиц тоже нано. Мы помним, мы говорим про наночастицы.

Итак, ядро интересное тем, что внутри перфторуглерода. Перфторуглерод известен достаточно давно, применяется совершенно в разных областях, технике, не только в медицине. В медицине тоже совершенно другое есть у них применение. А здесь они интересны тем, что первое, что углероды низкомолекулярные переходят при температуре тела плюс-минус в районе от 30 до 40 градусов из жидкого состояния в газообразное. Если мы помещаем вот это жидкое ядро внутрь оболочки, то когда у нас под действием того, что у нас проникает внутрь организма, разогревается ядро, то образуются уже не наночастицы, не нанокапли, так называемые, потому что жидкое ядро их принято называть нанокапли, а большой пузырь, потому что жидкость переходит в газообразное состояние, оболочка раздувается, и получается большая частица, которая воздействует уже непосредственно на…

Как это используется? Туда добавляются между слоями дополнительные еще наночастицы и терапевтические препараты. И тогда у нас получается, по сути, такая нанобомба, которая внутри организма, обычно это подводится непосредственно к опухоли, внедряется в опухоль, в опухоль она начинает разогреваться. Чтобы перевести более эффективно жидкое ядро в газообразное и чтобы был взрыв, по сути, нужно подействовать дополнительно ультразвуком. Поэтому это идёт как раз в разделе, когда мы говорим о том, как ультразвук может влиять на наночастицы для их образования, для их работы, для терапии.

Собственно, здесь как раз были проведены исследования на вот таких нано-бомбочках. Было показано, что под действием ультразвука они действительно расширяются. В оболочку были введены магнитные наночастицы, и было показано, что мы можем смотреть МРТ-контрастирование, то есть мы можем контролировать под действием МРТ протекающий процесс, и мы можем еще одним интересным методом смотреть эти капли – это метод оптоакустики.

Что такое метод оптоакустики? Это когда у нас на ткани действует лазер, а отклик мы получаем ультразвуковой. Этот метод достаточно точный для детекции такого типа материалов.

Переходим дальше. Опять-таки, ультразвук, как его еще используют для наномедицины. В наномедицине он может использоваться, как мы сказали уже, для терапии, когда мы используем для разогрева, для активации какой-то. А еще ультразвук может использоваться для диагностики. И на этом тоже хотелось бы отдельно остановиться.

Мы знаем, что ультразвук – это замечательный метод, но он очень неточный. Если мы посмотрим на верхнюю картинку, то ультразвук несколько оттенков серого, и только, наверное, опытный узист может определить, что есть какая-то опухоль или новообразование. Потому что на самом деле там есть разница в оттенках, если мы на верхний рисунок посмотрим.

Что же меняется на нижнем рисунке? А на нижнем рисунке появляется ультразвуковое контрастирование. Попрошу поднять тоже руку, кто знает, что бывают УЗИ с контрастированием. Несколько человек знает. Уже очень приятно, кроме моей группы. Потому что на самом деле чаще я встречаюсь с тем, что не знают. А вот что бывает МРТ и КТ с контрастированием, наверное, знают все. Ультразвук тоже может быть с контрастированием, и этот метод является на самом деле очень эффективным для многих видов как опухоли, так и многих видов сердечно-сосудистых заболеваний, заболеваний внутренних органов, которые можно определить, если у нас будет ультразвуковой контраст.

Что же является ультразвуковым контрастом? Ультразвуковым контрастом являются микропузырьки. Вроде мы говорили с вами про наноматериалы. Почему появились микроматериалы? Потому что на самом деле, когда мы говорим с вами, помните, наноматериалы – это те материалы, в структуру которых входят наночастицы. Если мы будем говорить о структуре микропузыря, то его оболочку образуют нанофрагменты, нанокомплексы.

Какие это могут быть нанокомплексы? Это должны быть биосовместимые, поэтому это либо белки и их комплексы с дополнительными молекулами, либо полимеры, либо липиды. То есть это все структуры наномасштаба, которые образуют микропузырь. Мы работаем с микропузырями, оболочку которых образуют комплексы белков. Комплексы белков с низкомолекулярными соединениями и комплексы белков с высокомолекулярными соединениями – это нанообразцы, которые дальше собираются в ту самую оболочку. Внутри у нас газовое ядро. Обычно это обычный воздух.

Почему это дает эффективное контрастирование на ультразвуке? Представьте воздушный шарик. Если воздушный шарик сжать, то он потом к форме своей тут же возвращается. Такой процесс для пузырьков называется кавитация, когда у нас микропузырек сжимается и разжимается. Вот этот процесс кавитации дает эффективный ультразвуковой отклик, яркое свечение на ультразвуке. И именно это дает тот самый ультразвуковой контраст в тканях, когда у нас ткани наполнены, либо кровоток наполнен микропузырьками.

Почему еще я привела этот пример? Потому что на оболочку микропузырьков можно посадить за счет возможной функциональности. Здесь тоже мы говорим о легкости образца и большой площади поверхности. Основную часть пузырька занимает воздух. Но на оболочку можно посадить различные наночастицы. И тогда функциональность будет совмещенной наночастиц и контрастного агента для ультразвука. То есть уже идет совмещение терапии и диагностики.

Совмещение терапии и диагностики называется тераностикой. Такой метод, который за последние, наверное, уже лет 20 стал очень модным. Им очень любят заниматься, но на самом деле не всё, что модно, плохо, поэтому совмещение терапии с диагностикой действительно очень важное направление, когда мы можем с одной стороны под контролем ультразвука производить какие-то манипуляции, а с другой стороны данный препарат может выступать в качестве терапевтического материала.

Как он еще может выступать в качестве терапии, если даже не говорить о контрастировании? А это называется сонопермиация. Что происходит? Вот если над ухом у человека взорвать воздушный шарик, то происходит некое шоковое состояние. Вот у клеток на самом деле примерно такой же эффект. Если мы будем целенаправленно ультразвуковым датчиком, либо терапевтическим ультразвуком взрывать микропузырьки, почему они будут взрываться? Мы действуем ультразвуком интенсивным, возникает усиленная кавитация, постепенно, через какое-то время, либо если добавить усиление, то будет взрыв. Это либо кавитация временная, либо уже шоковая кавитация, когда полностью взрывается микропузырёк.

И что это вызывает? Это вызывает временное открытие межклеточного барьера. И вот при открытии межклеточного барьера препараты, которые находятся вместе с микропузырьками, проникают внутрь клеток. И вот этот метод уже интересен на самом деле даже больше, чем диагностика методом ультразвуковым, потому что здесь мы можем говорить о локальном внедрении терапевтического препарата непосредственно через межклеточный барьер. И это используется, планируется, сейчас ведутся работы на мозге, потому что преодоление гематоэнцефалического барьера является очень важной задачей. Но пока, к сожалению, это скорее как-то такие далёкие исследования, но мы будем работать в этом направлении.

Какие есть проблемы с существующим? Ну всё, говорим нанотерапия. А зачем нам нанотерапия? Я хотела карантинчик. Не получилось уже, я прошу прощения. Ещё минут 10, наверное. Да. Какие есть сейчас ограничения у фармпрепаратов? Мы говорим наномедицина. А может, она нам вообще не нужна? Может быть, достаточно того, что сейчас есть в аптеках.

На самом деле, наверно, для обычных заболеваний типа насморка действительно достаточно того, что есть в аптеках. Но диагностика идёт вперёд, продолжительность жизни увеличивается, а, соответственно, количество заболеваний возрастает. Мы обнаруживаем более серьёзные заболевания, потому что качество жизни улучшается. И какие есть проблемы всё-таки у существующих препаратов?

Во-первых, есть часть препаратов, которые выводятся быстрее, чем они начинают действовать. Происходит деградация препарата, не достигая воздействия. На самом деле, многие ферменты, которые сейчас есть, страдают этой проблемой за счёт того, что недостаточно хорошо подобраны оболочки, недостаточно хорошо подобрана упаковка. Поэтому над этим тоже ещё пока продолжают работать учёные, R&D-исследователи, как упаковать таким образом, чтобы снизить расход материала и чтобы материал приходил точечно и адресно.

Преодоление биологических барьеров. Вот это действительно серьёзная проблема. Лечить научились практически весь организм, менять научились практически все важные органы, мозг поменять пока не научились. Надеюсь, и не научится. Значит, как-то на биороботов уже тянет. Поэтому надо мозг лечить. Чтобы лечить мозг, а он у нас защищён гематоэнцефалическим барьером. Собственно, преодоление этого барьера сейчас одной из важных задач.

Ну и формирование устойчивости. Мы все знаем, что антибиотикорезистентность – это большая проблема, и с одной стороны ищут новые антибиотики. Это целый пол исследований, где разрабатывают новые типы антибиотиков, постоянно их разрабатывают, они выходят в практику, к ним резистентность тоже потихоньку появляется, ну и так дальше постепенно.

А вот дальше есть их альтернатива, в том числе на основе нанофотозинамической терапии, когда фотозинамическую терапию стали использовать не только для лечения онкологии, а для лечения именно антибактериальной. То есть это замена антибиотиков. Одно из направлений – это, например, раневые поверхности. Сейчас в этом направлении активно стали использовать фотодинамические препараты, которые заменяют антибиотик и даже проявляют себя более эффективно, потому что проблема антибиотикорезистентности в раневых поверхностях особо актуальна.

Ну и если говорить об адресной доставке, давайте поговорим, как можно доставить адресно, как препарат посадить на велосипед или засунуть в Яндекс.Машинку. На данный момент очень много материалов, которые пытаются применять для адресной доставки, но при этом большинство из них всё-таки не работает. Поэтому давайте поговорим о тех методах, которые работают, но их тоже надо применять грамотно и аккуратно, потому что иногда мы их применяем таким образом, что они теряются.

Какие это методы? Первый – это ключ-замок. Это использование метода антиген-антитела, когда одна часть пришивается к наночастице, другая, соответственно, находится у нас на поверхности опухоли, и у нас идёт адресная доставка. Это могут быть антитела, это могут быть оптомеры. Есть несколько вариантов. Могут быть дарпины, которые используют для доставки. Это, соответственно, либо на основе пептидной последовательности, либо на основе нуклеиновой последовательности. И то и другое является фрагментом, по сути, антител, которые помогают в адресной доставке методом ключ к замку.

Может быть магнитное управление. Вот мы с вами говорили про магнитные частицы. Есть исследования, когда прикладывают магнит к опухоли, и наночастицы действительно собираются в этой опухоли путём примагничивания. Понятно, что там есть другие побочные эффекты, которые вызывают довольно сильный токсический эффект. Но иногда, если мы говорим уже о тяжёлой онкологии, этим, возможно, можно пренебречь.

Активная доставка эндоцитоз, когда мы закрываем, скажем так, маскируем наши наночастицы. Это как раз полимерные материалы, которыми можно маскировать, не расхватали в самом начале, когда они попадают в кровоток, чтобы не разрушились наши частицы, не дойдя до опухоли. Это используют полимеры, такие как на основе полиэтиленгликоля, на основе поливинилпиролидона. Эти материалы могут защищать от того, чтобы сразу наночастица разрушилась или была, скажем так, эвакуирована.

Есть ещё метод пассивной доставки. Было показано, что если размер наночастиц золота имеет определённый пробег, в определённом пробеге наночастицы золота определённые формы, не все формы работают, но действительно существует эффект накопления наночастиц в опухоли просто за счёт того, что в опухоли они накапливаются, а из организма они выводятся. Такое вот неспецифическое накопление в опухоли.

Таким образом, у нас адресная доставка решает несколько задач. Во-первых, задача троянского коня – внедриться до опухоли, пока её не заметят, пока идёт по организму. Метод манипуляции, то есть управления нашей частицей, когда у нас частицы становятся управляемыми. Метод визуализации. За счёт того, что мы сажаем адресный леган, мы можем визуализировать ещё опухоль. Ну и метод детекции, использования сенсоров.

То есть у нас иногда антитела используются, наночастицы с антителами используются экс-виво, когда мы хотим анализировать, например, какие-то жидкости, например, кровь, и определять наличие в ней каких-то частиц, которые, например, экзосомы. Есть такие частицы, которые свидетельствуют о онкологии на ранних стадиях. И вот если у нас есть наночастицы или если у нас есть какие-то типа ядрооболочка, сферы, и на их поверхности есть антитела или оптомеры, они могут ловить, скажем так, экзосомы, и таким образом будет осуществляться эксвива.

Эксвива – это то, что уже забрали из организма, детекция. Вот как раз мы перешли таким образом к диагностике. Мы с вами поговорили о материалах для МРТ-контрастирования. Наночастицы золота могут быть и КТ-контрастами, поэтому тут может быть и МРТ-, и КТ-контрастирование на основе наночастиц. Может быть флуоресцентная диагностика, когда у нас наночастицы окрашены флуоресцентным красителем.

Биосенсор – это как раз система EXVIVA, когда у нас идет забор биологических жидкостей, и в них уже запускают наноструктуры, нанообъекты, которые восполняют роль детекции. Ну и реальная диагностика в режиме инвива, когда наночастицы, либо меняющие цвет, либо имеющие какой-то функционал дополнительный, приходят адресно к опухоли.

Ну, терапия-диагностика, да, такая как эта любимая шутка, что это как доктор Ватсон и Шерлок Холмс, диагностика и терапия совмещенная. На этом я как раз закончу, поблагодарю свою команду, потому что многие примеры, которые здесь были представлены, они представлены в обзорах, которые написаны в том числе ребятами из нашей команды. Часть разработок, о которых я рассказывала, мы ведем непосредственно сами, поэтому...

Пишите, мы будем рады любому сотрудничеству. У нас сейчас идет Гранд РНФ по фото- и сонодинамике. Успешно завершился по контрастированию ультразвуковому. И спасибо большое родному Скултеху, потому что возможность таких лекций – это всегда замечательно. Надеюсь, что вы не заскучали и согрелись в это время. Спасибо.