Один из перспективных способов диагностики и лечения онкологических, нейродегенеративных, инфекционных и вирусных заболеваний заключается в использовании неорганических люминесцентных наноматериалов, допированных (легированных) редкоземельными элементами. Исследования в данной области — передовой край мировой науки. В последние годы ими активно занимаются сотрудники кафедры экспериментальной физики Уральского федерального университета.
«Есть два способа применения таких наноматериалов в медицине — in vitro, в пробирке, и in vivo, то есть на живом, в том числе человеческом организме. В первом случае наноматериалы можно использовать в качестве сенсорных элементов, например, для экспресс-анализа крови, слюны или мочи и выявления таким образом маркеров каких-либо болезней», — описывает доцент кафедры экспериментальной физики УрФУ Ирина Бажукова.
Происходит это следующим образом: тест-полоска покрывается пленкой из люминесцентного наноматериала, при попадании на ее поверхность капли биологической жидкости можно наблюдать изменение люминесценции — ее разгорание или, напротив, гашение.
«Во втором случае частицы наноматериала вводятся в организм человека как контрастные агенты для оптической и магнитно-резонансной томографии, — говорит Ирина Бажукова. — Если к поверхности наночастицы „пришить“ молекулу-антитело, она доберется до соответствующего ей антигена на поверхности раковой опухоли. Этот механизм называется таргетной, или адресной, доставкой. Маршрут прохождения антитела к антигену можно проконтролировать, воздействуя на наночастицы излучением в видимом или ультрафиолетовом диапазоне: наноматериалы с „пришитыми“ к ним антителам будут люминесцировать, сообщая, где они находятся».
В свою очередь инфракрасное облучение, по словам Ирины Бажуковой, отличается значительным проникновением в тело человека (до восьми сантиметров), поэтому с его помощью можно «доставать» опухоли, расположенные глубоко в организме. А точность, присущая методу адресной доставки, позволит направленно облучать очаг поражения раковой опухолью, не причиняя вреда окружающим тканям. Кроме того, группы клеток, «покрашенные» люминесцирующими наноматериалами, можно разглядеть невооруженным глазом, что очень удобно при проведении хирургических операций.
Отметим, люминесцентные наноматериалы, допированные редкоземельными элементами (доцент Бажукова изучает наночастицы диоксида церия), характеризуются способностью, поглощая кванты/фотоны с меньшей энергией, высвечивать их с большей энергией, а также отличаются большим временем высвечивания и его интенсивностью. При облучении такие материалы не деградируют или «изнашиваются» гораздо меньше, чем их аналоги. Помимо этого, они отличаются низкой токсичностью по отношению к организмам и окружающей среде. Все эти свойства делают люминесцентные наноматериалы, допированные редкоземельными элементами, пригодными для применения в биомедицине.
Особенностям и развитию данной сферы посвящена обзорная статья, над которой совместно с коллегами-учеными УрФУ работает Ирина Бажукова. Авторитетность позиций уральской науки в этом направлении неоспорима: за последние годы участники междисциплинарного авторского коллектива, среди которых — один из основателей Уральской школы люминесценции, профессор Владимир Пустоваров, выполнили несколько исследовательских проектов, профинансированных Российским фондом фундаментальных исследований и Благотворительным фондом Владимира Потанина, опубликовали порядка ста статей, в том числе в престижнейших международных научных изданиях.
В готовящейся обзорной статье физики и биологи УрФУ проанализируют эффективность различных методов синтеза исследуемых наноматериалов: химический метод предполагает «выращивание» наночастиц из растворов, физический, напротив, «выпаривание» керамической мишени — спеченного порошка в форме таблетки — пучком электронов до размеров наночастиц. Авторы также сравнят результаты допирования люминесцентных наноматериалов разными редкоземельными элементами — гадолинием, тербием, эрбием, тулием и другими. Кроме того, определят, каким именно излучением — в видимом или ультрафиолетовом диапазоне — лучше воздействовать на наноматериалы и в течение какого времени, как эти факторы, а также размеры наночастиц влияют на их люминесцентные свойства, токсичность и биосовместимость с человеческим организмом.
«Практическое значение работы в том, что мы составим рекомендации: какое сочетание факторов максимально соответствует тем или иным биомедицинским задачам. А главная цель — создать мультимодальные наноматериалы, которые будут полезны и для диагностики, и для терапии, — комментирует Ирина Бажукова. — Основная проблема заключается в экономике и технологиях: редкоземельные элементы — одни из самых дорогих, их синтез тоже недешев, широких технологических возможностей создания 2D-материалов — пленок, содержащих наночастицы, еще не существует. Все эти проблемы — предмет исследований Уральской школы люминесценции».