Физики из Сколтеха, ИТМО и МФТИ с коллегами создали полимерные субмикрокапсулы с наночастицами золота, которые под воздействием света способны преобразовать внутриклеточную перекись водорода в молекулярный кислород. Это позволяет запустить процесс гибели раковых клеток. Данный эффект можно применить при адресной терапии злокачественных опухолей. Результаты исследования по программе «Клевер»* опубликованы в журнале Particle & Particle Systems Characterization.
Нанозимы — искусственные ферменты, которые представляют собой наночастицы различной химической природы. Производить и использовать их по сравнению с природными соединениями проще, а по своим свойствам они не уступают натуральным аналогам.
Золотые наночастицы (AuNP) используются для имитации ферментов пероксидазы, глюкозооксидазы, лактатоксидазы, супероксиддисмутазы и каталазы. Последняя преобразует внутриклеточную перекись водорода в молекулярный кислород. Эта и другие активные формы кислорода воздействует на клетку и нарушают ее жизненный цикл. Данный процесс называется окислительным стрессом.
Таким образом, считается, что золотые наночастицы повышают общую эффективность фотодинамической терапии при лечении раковых заболеваний. Однако есть проблема — ферментоподобная активность наночастиц быстро снижается в биологических средах из-за агрегации (слипания частиц) и образования так называемой «белковой короны».
Научная группа под руководством профессора Сколтеха Дмитрия Горина систематизировала по физико-химическим и каталитическим свойствам полимерные субмикрокапсулы золота. В качестве доказательства концепции их терапевтический потенциал оценивался in vitro. Результаты показывают, что полимерные капсулы, содержащие AuNP и фотодинамический краситель, демонстрируют на порядок более высокую индуцированную светом цитотоксичность (способность вещества оказывать токсическое воздействие на клетку) по сравнению с индивидуальным фотодинамическим красителем.
«Реакция была проведена в среде с кислотностью pH = 7,4 — данный показатель наиболее близок к физиологическим условиям. Саморазложение перекиси водорода при этом pH совершенно незначительно, в то время как быстрое ускорение этого процесса наблюдается при введении в систему наночастиц золота. Как и ожидалось, меньший размер частиц (3 нм) катализатора привел к более значительному увеличению скорости по сравнению с частицами размером 30 нм. Для дальнейшего сравнения каталитических эффектов скорость реакции разложения перекиси водорода рассчитывалась как отрицательный наклон в линейном диапазоне кинетических кривых “концентрация против времени”. Для согласованности для всех образцов, описываемых с этого момента, использовалась скорость реакции в течение первых пяти часов», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Илья Завидовский.
Ученые выяснили, что большинство наноматериалов, имитирующих каталазу (фермент, нейтрализующий перекись водорода), обычно увеличивают свою активность в щелочных условиях. В этом случае адсорбция перекиси водород-содержащих газов протекает особенно эффективно.
Также в ходе экспериментов ученые выяснили, что независимо от площади поверхности, на которой протекает реакция, каталазоподобная активность увеличивается с ростом pH. Для дальнейших экспериментов были выбраны два значения pH: 7,4 для имитации физиологических условий и 7,0 как наиболее близкое к среде раковой клетки.
В ближайших планах команды проекта — интегрировать в исследуемую систему МРТ-контрастные частицы, чтобы иметь возможность контролировать местоположение фотоактивируемых частиц внутри организма.
В работе, кроме ученых из Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха и Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, принимали участие их коллеги из ИТМО, ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, МГУ им. М. В. Ломоносова, Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, МИФИ, Московского педагогического государственного университета и Института биохимии и физиологии растений и исследований РАН (Саратов).
* В 2023 году МФТИ, Университет ИТМО и Сколтех запустили программу совместных научно-исследовательских разработок «Клевер». Цель проекта — это развитие кооперации между тремя сильнейшими университетами в области фотоники.
