Будущее лечения рака: портативное светодиодное устройство для домашней терапии

Исследователи из Техасского университета в Остине и Университета Порту создали новый способ воздействия на рак — наноматериалы на основе олова в сочетании с ближним инфракрасным светом. Их работа имеет потенциал для создания менее токсичных и более дешёвых методов лечения рака на базе света, а не агрессивных препаратов или радиации.

• А вы знали, что существуют «здоровые» виды деятельности, которых следует избегать, если вы больны?

Детали

Ключ кроется в маленьких нанопластинках оксида олова, или SnOx, которые изготавливаются с помощью простого электрохимического процесса, превращающего дисульфид олова (SnS₂) в новую структуру. Нанопластинки поглощают ближний инфракрасный (БИК) свет и преобразуют его в тепло, которое убивает раковые клетки, не затрагивая здоровые. Фототермическая терапия точно воздействует на опухоли, вызывая тепло там, где концентрируется свет.

Джин Энн Инкорвиа, профессор инженерной школы Кокрелла при Техасском университете в Остине, сказала, что целью было сделать лечение «эффективным и доступным». Учёные нашли способ обойти использование дорогих лазеров, которые также могут повредить окружающие ткани, сочетая светодиодный свет с оловянными нанопластинками.

Преобразование олова в средство уничтожения рака

Исследователи начали с слоистых нанолистов SnS₂, которые они электрохимически окислили до нанопластинок SnOx. Это привело к появлению крошечных дефектов, называемых кислородными вакансиями — важных дефектов, которые позволяют материалу поглощать больше света и излучать больше тепла.

Электронная микроскопия показала, что окисленные пластинки были тоньше и пористее, чем их предшественники, с большей площадью поверхности для взаимодействия со светом. Такая структура, в сочетании с новым химическим составом, сделала их очень эффективными в преобразовании света в тепло.

Они быстро нагревали водные растворы до температуры выше 60°C, смертельной для уничтожения раковых клеток, когда нанопластинки оксида олова облучались ближним инфракрасным излучением с длиной волны 808 нанометров — оптимальной для проникновения в глубокие ткани. Эффективность фототермического преобразования составила 45,6%, что значительно выше, чем у контрольного материала.

Безопасный, целенаправленный, многократный

В тестах раковые клетки, подвергавшиеся воздействию нанопластинок, не были высокотоксичными, если они не подвергались воздействию света, то есть частицы не токсичны в темноте. Но под действием ближнего инфракрасного света они оказывались смертельными для раковых клеток. В тестах на клетках колоректального рака и рака кожи 30-минутная обработка уничтожила до 92% клеток рака кожи и половину клеток колоректального рака. Здоровые клетки кожи человека оставались нетронутыми.

Флуоресцентная микроскопия показала, что нанопластинки проникают в раковые клетки и диффундируют через их цитоплазму. При возбуждении пластинки излучают всплески тепловых вспышек, которые разрушают мембраны и вызывают апоптоз — гибель клеток — не повреждая окружающие ткани.

Эти материалы также были устойчивы к длительному использованию. Даже после нескольких циклов нагревания и охлаждения их структура и функции оставались стабильными. При хранении в воде они не слипались и сохраняли свои оптические характеристики в течение продолжительного времени, что делало их достаточно стабильными для применения в медицине.

Светодиоды вместо лазеров

Одним из главных прорывов в этом исследовании стала замена дорогих мощных лазеров светодиодами. Светодиоды обеспечивают более дешёвый и безопасный источник энергии, что делает лечение более масштабируемым и безопасным для применения в клинике.

«Наша цель — сделать эту технологию доступной для пациентов во всём мире», — заявил Артур Пинту, учёный из Университета Порту и соавтор исследования. Он надеется на портативное светодиодное устройство для лечения рака кожи, которое пациенты смогут использовать дома после операции. Крошечное устройство, напоминающее пластырь, будет обеспечивать световую терапию для определённого участка, чтобы уничтожить оставшиеся раковые клетки и снизить риск рецидива.

Этот переход к терапии на основе светодиодов будет способствовать внедрению световых методов лечения в больницах или даже дома, особенно в тех регионах, где нет крупногабаритного оборудования.

Наука, стоящая за светом

Секрет успеха нанопластинок заключается в кислородных вакансиях — крошечных промежутках в атомной решётке, которые меняют реакцию материала на свет. Вакансии создают новые электронные состояния, которые имеют расширенный диапазон длин волн ближнего инфракрасного излучения для поглощения, а значит, лучше захватывают фотоны и генерируют тепло.

Компьютерное моделирование подтвердило, что окисленный оксид олова имеет меньшую ширину запрещённой зоны, поэтому он поглощает больше световой энергии и выделяет её в виде тепла, а не отражённого света. Эта синергия наноструктурного дизайна и инженерии дефектов объединяет эффективность и универсальность материала. Исследователи могут даже настраивать его реакцию, регулируя условия окисления.

В отличие от других фототермических материалов, таких как золотые наностержни или углеродные материалы, нанопластинки SnOx являются очень недорогими, химически стабильными и экологически чистыми в производстве. Весь процесс проводится при комнатной температуре без использования токсичных химикатов, что предлагает экологичный и масштабируемый способ производства медицинских наноматериалов.

Перспективы

Исследователи хотят глубже изучить нанопластинки, протестировав их на живых животных моделях, чтобы наблюдать за их циркуляцией в организме и определить долгосрочную безопасность. Они также изучают способы смешивания частиц с другими материалами, используемыми в качестве катализаторов, чтобы их можно было шире применять в медицине.

Эта технология находит применение далеко за пределами лечения рака. То же светочувствительное тепло можно использовать в антимикробной терапии или заживлении ран, где сфокусированное тепло ускоряет восстановление.

Как лаконично подвела итог Инкорвиа: «Это шаг к световой медицине, которая не только мощна, но и практична».

Практические последствия исследования

Нанопластинки SnOx могут стать прорывом в лечении рака, предлагая неинвазивную, целенаправленную и дешевую альтернативную терапию. Сочетание светодиодного света и оловянных нанопластинок сделает фототермическую терапию более безопасной и доступной для больниц и клиник по всему миру.

Портативные устройства впоследствии могут принести послеоперационную светотерапию в дома пациентов, особенно для лечения поверхностных видов рака, таких как меланома.

Исследование будет способствовать тому, чтобы лечение рака стало более терпимым для пациентов, с меньшим использованием химиотерапии и лучевой терапии; оно менее дорогостоящее и менее требовательно к инфраструктуре. Оно действительно даёт надежду пациентам как в развитых, так и в ресурсно ограниченных системах здравоохранения.

Ранее мы сообщали, что диетологи утверждают, что гранатовый сок — лучший напиток для метаболического здоровья. Он содержит антиоксиданты и полезен для вашего кишечника и сердца. Но нужно выбрать правильный сок.