Нанолазер для обнаружения метастазирующих клеток рака

В рамках нового исследования было установлено, что нанолазер под названием spaser может быть использован в качестве сверхъяркого водорастворимого биосовместимого зонда, который способен выявлять метастазируемые в тканях раковые клетки в кровотоке и уничтожать их.

В ходе исследования ученые установили, что spaser можно применять как альтернативу оптическому зонду – в процессе высвобождения в организме посредством введения при помощи инъекции или при пероральном приеме нанолазер способен идентифицировать циркулирующие опухолевые клетки или СТС, присоединяться к ним, воздействуя на них разрушающе, после чего растворяться – это позволяет предотвратить развитие метастазов при течении заболевания. Spaser выступает поглотителем лазерного света, что позволяет повышать температуру, вызывать в клетках ударные волны и разрушать клеточные мембраны. Данные исследования были опубликованы в научном издании Nature Communications.

Нанолазер spaser, действие которого направлено на усиление плазмона поверхностного типа посредством использования стимулированного излучения, представлен наночастицей, размер которой составляет порадка 20 нанометров, что в сотни раз меньше, чем размер клеток тканей человеческого организма. Фолиевая кислота позволяет лазеру беспрепятственно прикрепляться клеткам, идентифицируя злокачественные образования и уничтожая их. Фолатный рецептор показывает сверхэкспрессию на поверхности клеток рака в организме человека, а в нормальных клетках тканей он проявляет слабую экспрессию.

Данное открытие было сделано учеными, представляющими Университет Джорджии, Университет Арканзаса медицинских наук, Университет Арканзаса в Литтл-Роке, Сибирское отделение Российской академии наук.

Как отметил доктор Марк Стокман, являющийся директором Центра нонооптики и профессором физики штата Джорджия, на сегодня не существует альтернативных способов обнаружения и уничтожения КТК, которые бы привели к желаемому результату. Данная методика с использованием биосовместимого нанолазера spaser позволяет воздействовать на раковые клетки и разрушать их, не нанося вреда окружающим здоровым тканям организма. Применение любого другого способа с использованием химических препаратов влекло бы за собой серьезные последствия, поскольку в ходе лечения здоровые ткани были бы также затронуты. Результаты данного исследования имеют важное значение, поскольку они могут стать базой для разработки инновационных методик по борьбе с раком, дающих шанс пациентам на выживание и выздоровление.

Раковые заболевания в метастатической форме возникают в тех случаях, когда злокачественные клетки поражают ткани отдаленных органов, часто это кости, легкие, мозг, печень – это процесс называется метастазированием. В большинстве случаев метастазы формируются на одной из последних стадиях рака. После распространения раковых клеток по организму очень сложно их контролировать, что приводит к тому, что метастатические формы рака очень трудно поддаются лечению, и у пациентов практически нет шансов на выживание – об этом свидетельствует Национальный институт здоровья. КТК представляет собой одну из наиболее опасных форм идентификации метастазирования, поскольку обнаружение раковых клеток производится за счет поиска и разрушения клеток с использованием спазмов.

В рамках данного исследования использовались нанолазеры spaser, размер которых достигает 22 нанометров – это наименьшие параметры среди всех существующих на сегодня при том, что нанометр является одной миллиардной частью метра. Основные результаты исследований были получены с использованием сферических золотых наночастиц, окруженных диоксидкремниевой оболочкой и покрытых ураниновым красителем, широко используемым для диагностики в сфере биомедицины.

Ученые занимались изучением возможностей нанолазера в формате in vitro на примере раковых клеток молочной железы при высоких показателях экспрессии рецептора фолата и эндотелиальными клетками при низкой экспрессии. В работе были также использованы мышиные модели in vivo.

Специалисты выявили, что клетки с внедренными лазерами spaser указывают на довольно значимое отличие при наличии одного или нескольких отдельных «горячих точек» с использованием разных уровней энергии, превышающих порог дезактивации. С использованием методик электронной и оптической микроскопии были выявлены очаги первичной концентрации спазмов на клеточных мембранах, после чего они проникали в цитоплазму клеток.

В рамках исследовательской работы также был установлен низкий уровень токсичности spaser при воздействии на клетки человеческого организма. При этом лазерные лучи деструктивно воздействовали на клетки опухолей, не затрагивая здоровые ткани.

Делая выводы из результатов работы ученых, можно сказать, что полученные данные высококонтрастной визуализации можно использовать для разработки способов применения технологии в клинических условиях. Результаты исследования показывают, что многие пациенты обладают скрытым потенциалом – диагностические и терапевтические агенты, задействованные в интеграции оптической диагностики и уничтожении раковых клеток с применением фототермального принципа, требуют всего нескольких импульсов лазера для получения положительного результата.