Командой ученых Южного федерального университета разработан композитный материал на основе наночастиц BaGdF₅, рассматриваемый для потенциальных применений в области лечения и диагностики злокачественный опухолей методом рентгеновской фотодинамической терапии (XPDT).

Руководитель проекта – Александр Солдатов. В исследовательскую группу входят Елизавета Муханова, Владимир Поляков, Илья Панкин, Олег Положенцев, Заира Гаджимагомедова, Дарья Кирсанова.

«Данный подход является инновационным и в отличие от классической фотодинамической терапии может быть использован для лечения глубоколежащих патологических тканей. Он основан на использовании трех компонентов: наночастиц рентгеновских люминофоров (способных эффективно трансформировать энергию поглощенных рентгеновских фотонов в оптический сигнал), специального фоточувствительного вещества - фотосенсибилизатора (способного в возбужденном состояние приводить к генерации активных форм кислорода) и возбуждающего ионизирующего излучения (в рентгеновском или гамма-диапазонах)», - отметил д.ф-м.н, профессор, научный руководитель направления ЮФУ Александр Солдатов.

Принцип работы таких систем продемонстрирован на рисунке ниже. Генерируемые в рамках такого подхода активные формы кислорода способны эффективно разрушать патогенные клетки и ткани патогенных новообразований.

Разработанные композитные материалы состоят из ядра на основе сцинтиллирующих наночастиц на основе BaGdF_5, допированных атомами лантаноидов (Eu, Tb), и оболочки, сформированной мезопористым оксидом кремния m-SiO₂, в последующем пропитанным фотосенсебилизатором на основе молекулярных красителей Rose Bengal или Methylene Blue, обеспечивающих эффективную генерацию активных форм кислорода.

Размер ядра композита составляет 15-20 нм. Небольшой размер наночастиц обеспечивает эффективную транспортировку вещества по капиллярам. В рамках работ по проекту была отработана методика, позволяющая варьировать размер оболочки, что, в свою очередь, позволяет варьировать расстояния между ядром и молекулами фотосенсибилизатора и тем самым оптимизировать механизм переноса энергии. Кроме того, полученное вещество является нетоксичным и биосовместимым, то есть не вызывающим негативных реакций в организме.

Биологические исследования разработанных систем были проведены в тесном сотрудничестве с Национальным медицинским исследовательским центром онкологии (Ростов-на-Дону). В частности, в рамках in vivo экспериментов с помощью микро-КТ диагностики было исследовано распределение нанокомпозита в организме лабораторных мышей. Также было показано, что наночастицы разработанного композита могут служить как эффективные контрастные агенты для КТ исследований внутренних органов.

Рис. Результаты микро-КТ исследования внутренних органов лабораторной мыши (линии balb/c) при внутривенном введение частиц композита на основе BaGdF₅.

Для исследования оптической флуоресценции под воздействием рентгеновского излучения в МИИ интеллектуальных материалов был спроектирован и создан специальный измерительный стенд на основе рентгеновской трубки РАП-90 и флуориметра Agilent Сагу Eclipse. Помимо исследования оптических свойств рентгеновских люминофоров установка также позволяет осуществлять контроль генерации активных форм кислорода.

Рис. Слева - общий вид установки (фронтальная часть экранирующего свинцового кожуха не показана). Справа - принцип работы установки: падающий на образец рентгеновский пучок показан синим цветом, в то время как оптический сигнал, генерируемый исследуемым рентгеновским люминофором и попадающий в область окошка детектора спектрофотометра показан в виде зеленого конуса. Расходящийся рентгеновский пучок ограничен свинцовым цилиндром.

Рис. Фото установки с установленной системой защитного кожуха.

Исследования проводились совместно с Национальным медицинским исследовательским центром онкологии (г. Ростов-на-Дону). Полученные в ходе исследования результаты позволят в дальнейшем развивать технологии персонализированной медицины в области тераностики глубоких и поверхностных форм опухолей. Результаты работ в рамках реализации гранта Российского научного фонда (проект № 19–15-00305) были опубликованы в высокорейтинговых международных журналах (Q1 по Scopus).

DOI: https://doi.org/10.3390/ijms222313040

DOI: 10.3390/nano11123212