Как материалы нового поколения могут творить чудеса
Использование магнитных наночастиц при создании отечественных медицинских препаратов нового поколения может получить мощный импульс после того, как будут завершены фундаментальные исследования и научно-технические разработки в этой области, ведущиеся в Национальной академии наук Беларуси. По оценкам специалистов, цена белорусских препаратов на основе наноразмерных частиц может быть на первом этапе вдвое ниже, чем у чрезвычайно дорогих импортных, а затем по мере освоения производства всего набора компонентов, производимых сегодня только за рубежом, — в 3 — 4 раза.
В Институте химии новых материалов НАН Беларуси мне показали интересный опыт. Изображение с микроскопа, выведенное на монитор компьютера, поначалу представлялось заурядной картинкой из жизни клеток. Они спокойно, все в одном направлении, плыли «по своим делам» в неком растворе, и вдруг (во флоте эта команда так и называется — «Все вдруг!»), как по выстрелу стартового пистолета, устремились к «берегу» и моментально к нему «причалили». Причем в то же время для некоторых клеток команда на изменение курса словно не прозвучала и они продолжили дрейфовать дальше.
Что же произошло? Оказалось, был включен электромагнит. Молекулы клетки, к которым были «привязаны» специальными белками крохотные магнитные частицы, неразличимые даже при сильном увеличении, послушно устремились к источнику магнитного поля, а остальные, не объединенные с наночастицами, продолжили «свободное плавание».
— То, что произошло на ваших глазах, называется магнитной сепарацией, то есть разделением клеточных структур и белковых молекул, — пояснил заведующий лабораторией химии поверхности тонких пленок кандидат химических наук Геннадий Жавнерко. — Идея вроде бы проста, но на самом деле для ее реализации потребовалось решить ряд сложных проблем. Прежде всего необходимо было научиться синтезировать наночастицы строго определенного размера, так как частица, например, диаметром в 5 нанометров обладает одними физическими и оптическими характеристиками, а 10-нанометровая — совершенно другими. Хотя обе представляют один и тот же химический элемент. И все дело в том, что у наноразмерных частиц до 50 процентов атомов находится на поверхности, благодаря чему они обладают уникальными свойствами, в том числе магнитными, флуоресцентными, и так далее. Секрет объясняется квантоворазмерными эффектами, которые у более крупных образований выражены не так ярко, поскольку большинство атомов там находится внутри частицы и в процессах активно не участвует. Регулируя размер наночастиц, можно получить ключ к управлению их свойствами в очень широком диапазоне. При этом желательно, чтобы после того, как убирается внешнее магнитное поле, магнитные наночастицы не сохраняли остаточную намагниченность, то есть были суперпарамагнитными и, как следствие, не слипались.
Более того, следовало исключить нежелательное воздействие неорганических частиц на биологические процессы. Магнетит в этом отношении биосовместим, что и обусловило его использование в форме наночастиц. Наиболее важная и ответственная часть работы состояла в формировании вокруг наночастиц дополнительной оболочки из особых органических молекул или белков целевого назначения. Такой белок среди миллионов других молекул «узнает» только ту, которая ему нужна, и образует с ней прочную связь. Вот это ученым и удалось реализовать.
Теперь, когда магнитные наночастицы готовы к выполнению своей функции, можно включать электромагнит и извлекать вместе с ними те клетки, которые нам нужны. Впрочем, «рыбалка» этим не заканчивается. «Улов» нужно еще отсоединить от «снасти», с чем справляются, например, специальные ферменты, открывающие преду-смотрительно закрепленный на частице «замок». Как вариант исследователи создали и биологически деградирующие белковые оболочки, которые, разрушаясь со временем, сами освобождают из плена отловленные клетки, а заодно и помогают выводить из организма ставшие ненужными частицы магнетита.
— Магнитная сепарация сегодня считается одним из самых эффективных средств выделения из биологических сред стволовых клеток и внутриклеточных бактерий, — говорит научный сотрудник лаборатории Константин Лазнев. – За рубежом используют ее и для лечения лейкозов, когда традиционная химиотерапия уже не помогает и не удается подобрать подходящего донора костного мозга. У больного в таком случае берется порция его собственного костного мозга, в который добавляются магнитные наночастицы с закрепленными на них антителами. Они-то и извлекают те немногие здоровые клетки, которые там находятся. Создав запас здоровых клеток, удается проводить более агрессивную химиотерапию. Она надежно устраняет опухолевые клетки, но при этом, правда, воздействует и на здоровые. Так вот, после такой интенсивной терапии в костный мозг и вводятся ранее отобранные здоровые клетки — и кроветворение восстанавливается.
Магнитная сепарация позволяет извлекать клетки, популяция которых составляет в биологической ткани сотые доли процента, доводя их долю в культуре до 99 процентов и более. Так поступают и со стволовыми клетками, они в организме немногочисленны. Можно извлечь с помощью магнитной сепарации мизерное количество таких неспециализированных клеток из доступного материала, а затем их размножить. Такая технология — это реальность для ведущих клиник мира, и ученые надеются, что она приживется и в отечественных больницах, и научно-исследовательских центрах.
Использовав удобное «транспортное средство» — магнетит, ученые заложили основу и для разработки отечественных лекарственных препаратов с магнитной доставкой. Такое лекарство, введенное в организм, должно концентрироваться в большей степени там, где расположен магнит, равно как и выводиться может с помощью все тех же магнитных полей или сопутствующих технологий. Если же препарат поместить внутри биоразлагаемых магнитных капсул, то терапевтическое средство будет обладать пролонгированным действием, что еще более эффективно и безопасно при лечении. Таким образом, можно говорить о разработке специальных систем локальной доставки лекарственных препаратов в организм.
Перспективы для перехода на такой уровень фармакологии, считают ученые, в республике есть. Но необходима более активная позиция отечественной фарм-индустрии и медицинской науки, без которых формирование и реализация прикладных программ невозможны.
Обнадеживающим примером здесь может служить еще одно применение магнитных наночастиц — в локальной гипертермии онкологических заболеваний. Частицы доставляются в пораженную область, а затем под воздействием высокочастотного электромагнитного поля разогреваются, «сжигая» опухоль. Совместно с коллегами из лаборатории физико-химической гидродинамики Института тепло- и массообмена НАН Беларуси, возглавляемой доктором физико-математических наук Брониславом Кашевским, сотрудники лаборатории химии поверхности тонких пленок Института химии новых материалов НАН Беларуси не только провели фундаментальные исследования свойств перспективного материала, но и проверили его работу в экспериментах на животных. Опыты принесли обнадеживающие результаты, поэтому сегодня речь идет о том, чтобы продолжить прикладную часть исследований в рамках совместной с онкологами программы как для диагностики с использованием магнитно-резонансной томографии, так и для лечения.
