Ученые используют плазмонные нанопузырьки в живых организмах для обнаружения и уничтожения клеток рака простаты

Физик из Университета Райса Дмитрий Лапотко продемонстрировал, что плазмонные нанопузырьки, генерируемые вокруг золотых наночастиц лазерным импульсом, могут обнаруживать и уничтожать раковые клетки in vivo, создавая крошечные блестящие паровые пузырьки, которые выявляют клетки и селективно взрывают их.

Статья в октябрьском печатном выпуске журнала Biomaterials описывает эффект тераностики плазмонными нанопузырьками на рыбках данио, имплантированных живыми клетками рака простаты человека, демонстрируя направленную абляцию раковых клеток в живом организме без повреждения хозяина.

Лапотко и его коллеги разработали концепцию клеточной тераностики, чтобы объединить три важных этапа лечения — диагностику, терапию и подтверждение терапевтического действия — в одну связанную процедуру. Уникальная настраиваемость плазмонных нанопузырьков делает эту процедуру возможной. Их животная модель, рыбка данио, почти прозрачна, что делает её идеальной для подобных исследований in vivo.

Национальные институты здравоохранения (NIH) признали потенциал этой техники, профинансировав дальнейшие исследования, которые имеют огромный потенциал для тераностики рака и других заболеваний на клеточном уровне. Лаборатория плазмонных нанопузырьков Лапотко, совместная американо-белорусская лаборатория фундаментальной и биомедицинской нанофотоники, получила грант на сумму более $1 миллиона на следующие четыре года для продолжения разработки метода.

В более ранних исследованиях в родной лаборатории Лапотко в Национальной академии наук Беларуси плазмонные нанопузырьки продемонстрировали свой тераностический потенциал. В другом исследовании по сердечно-сосудистым применениям было заснято, как нанопузырьки пробивают себе путь через артериальные бляшки. Чем сильнее лазерный импульс, тем более разрушительным был взрыв при схлопывании пузырьков, что делает технику высоконастраиваемой. Размер пузырьков варьируется от 50 нанометров до более 10 микрометров.

В исследовании на рыбках данио Лапотко и его коллеги из Райса направили золотые наночастицы с антителами в имплантированные раковые клетки. Короткий лазерный импульс перегревал поверхность наночастиц и испарял очень тонкий объем окружающей среды, создавая маленькие паровые пузырьки, которые расширялись и схлопывались за наносекунды; это оставляло клетки неповрежденными, но генерировало сильный сигнал оптического рассеяния, достаточно яркий для обнаружения единичной раковой клетки.

Второй, более сильный импульс генерировал более крупные нанопузырьки, которые взрывали (или, как назвали это исследователи, "механически аблировали") целевую клетку, не повреждая окружающие ткани рыбки данио. Рассеяние лазерного света вторым "убийственным" пузырьком подтверждало уничтожение клетки.

Ключевым является то, что процесс носит механический характер, сказал Лапотко. Нанопузырьки избегают недостатков химио- или радиотерапии, которые могут повреждать как здоровые ткани, так и опухоли.

"Это не частица убивает раковую клетку, а переходное и короткое событие. Мы преобразуем световую энергию в механическую".

Новый грант позволит Лапотко и его коллегам изучить биологические эффекты плазмонных нанопузырьков, а затем объединить их функции в единую последовательность, которая займет всего микросекунду для обнаружения, уничтожения раковой клетки и подтверждения результата. "Динамически настраивая их размер, мы будем настраивать их биологическое действие от неинвазивного зондирования до локализованной внутриклеточной доставки лекарств и селективного устранения специфических клеток", — сказал он.

"Будучи скрытым, запускаемым по требованию зондом с настраиваемой функцией, плазмонный нанопузырек может быть применен во всех областях медицины, поскольку механизм нанопузырька универсален и может использоваться для обнаружения и манипулирования специфическими молекулами или для прецизионной микрохирургии".