Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами представили инновационный способ безыгольных инъекций. Проведенные исследования показали эффективность предложенной схемы и возможность к широкому применению. Работа опубликована в журнале Advanced Science.
Безыгольное введение медицинских препаратов в живые ткани позволяет снизить возможное заражение и возникновение боли у пациентов. Хотя известно о довольно большом количестве различных предложений, включая решения на основе лазеров, контролируемое введение лекарств без игл остается проблемой. Поэтому исследователи из МФТИ изучили возможности световых инструментов для решения этой задачи.
Со времени своего появления в 1970-х годах оптомеханические инструменты были значительно усовершенствованы и нашли применение в практических приложениях, где используются движение, ускорение и захват наночастиц светом. Оптические пинцеты оказались полезными в биологических исследованиях, поскольку они позволяют контролировать движение объектов микро- и наномасштаба, разворачивать белки и молекулы, измерять силы в масштабе пиконьютонов и могут предоставлять многие другие возможности.
Концепция безыгольной инъекции наночастиц: наноматериалы на подложке ускоряются коротким фемтосекундным лазерным импульсом в направлении целевой ткани. Источник: Advanced Science
«Движение и ускорение наночастиц светом имеют как фундаментальное, так и прикладное значение во многих дисциплинах. Одним из примеров является безыгольная инъекция биомедицинских нанокапсул в живые ткани. В нашей работе исследуется новый физический механизм лазерно-индуцированного ускорения частиц, основанный на аномальном оптотермическом расширении облучаемых частиц. Результаты исследования показали, что подобные световые инструменты эффективно справляются с переносом частиц в слои ткани и, таким образом, могут внести значительный вклад в развитие персонализированной медицины», — поясняет Денис Кислов, научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
а) схема экспериментальной установки; b) изображения частиц ватерита; с) микроскопические изображения частиц ватерита на стеклянной подложке: слева — до взаимодействия с фемтосекундным лазером, справа — после взаимодействия, демонстрируя отсутствие одной частицы. Источник: Advanced Science
Эксперимент проводился с микрочастицами ватерита радиусом 2 мкм (рисунок 2b). Ватерит представляет собой модификацию карбоната кальция (CaCO3). Благодаря их высокой несущей способности, биоразлагаемости, биосовместимости, простоте и низкой стоимости изготовления микрочастицы ватерита являются чрезвычайно многообещающей неорганической платформой для доставки лекарств. Кроме того, эти микрочастицы могут быть спроектированы в различных формах, что влияет на их оптические и биологические функции. Пористые частицы также могут быть нагружены контрастными включениями, например металлическими нанозернами, что серьезно влияет на силу взаимодействия света и вещества в композите. Это перспективно для будущих схем оптомеханических манипуляций.
Исследователи нанесли микрокапсулы ватеритана на покровное стекло, которое разместили на инвертированном микроскопе (рисунок 2а). Частицы облучались фемтосекундными лазерными импульсами. Изображение ватерита, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения, представлено на рисунке 2b, на котором выделены шероховатости поверхности сфер размером 2 мкм. Частицы таких размеров были изготовлены для лучшей визуализации: для доставки лекарств благоприятны меньшие размеры, ниже ≈0,5 мкм, из-за аспектов клеточного поглощения. На рисунке 2c показано микроскопическое изображение частиц до и после взаимодействия с лазером, после которого один элемент исчез. Лазер был сфокусирован именно на этом месте. Поглощение света частицей приводило к дальнейшему тепловому расширению, что поднимало центр масс частицы и вызывало тем самым ускорение. Скорость частицы в опыте составила около 15 м/с. В качестве мишени были использованы яйцеклетки лягушек. Трехмерное флуоресцентное изображение после инъекции подтвердило успешное включение частиц в ткани.
Александр Шалин, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ, комментирует: «Мы исследовали возможность реализации схемы безыгольной инъекции путем оптотермического ускорения частицы к мишени. Были исследованы микрочастицы ватерита, являющиеся одной из наиболее перспективных платформ для доставки лекарств. Помимо предоставления частице достаточной скорости для проникновения в мишень, она должна быть отделена от поверхности. Чтобы преодолеть связь капсулы с подложкой без использования чрезмерной мощности лазера, мы использовали фемтосекундные импульсы. После наблюдения эффекта скачка частиц нашей командой была предложена и проанализирована физическая модель процесса. Будучи актуальной для биомедицинских приложений, наша концепция еще больше расширяет возможности оптических инструментов в приложениях для доставки лекарств».
Таким образом была продемонстирована оптотермическая лазерная безыгольная инъекция в биологический материал. Дальнейшие исследования поспособствуют разработке светочувствительных нанокапсул, которые могут быть оснащены дополнительными оптическими и биомедицинскими функциями для доставки, мониторинга и контролируемой биомедицинской дозировки.
В исследовании, кроме ученых из МФТИ, принимали участие их коллеги из Университета Тель-Авива, Технического университета Риги и МГУ им. М. В. Ломоносова.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
