Майбутнє лікування раку: портативний світлодіодний пристрій для домашньої терапії

Дослідники з Техаського університету в Остіні та Університету Порто створили новий спосіб впливу на рак — наноматеріали на основі олова в поєднанні з ближнім інфрачервоним світлом. Їхня робота має потенціал для створення менш токсичних і дешевших методів лікування раку на основі світла, а не агресивних препаратів чи радіації.

• А Ви знали, що є «здорові» види діяльності, яких слід уникати, якщо Ви хворі?

Деталі

Ключ криється в маленьких нанопластівцях оксиду олова, або SnOx, які виготовляються за допомогою простого електрохімічного процесу, що перетворює дисульфід олова (SnS₂) на нову структуру. Нанопластівці поглинають ближнє інфрачервоне (БІЧ) світло та перетворюють його на тепло, яке вбиває ракові клітини, але не зачіпає здорові. Фототермічна терапія точно впливає на пухлини, викликаючи тепло там, де концентрується світло.

Джин Енн Інкорвіа, професорка Інженерної школи Кокрелла при Техаському університеті в Остіні , сказала, що метою було зробити лікування «ефективним та доступним». Вчені знайшли спосіб обійти використання дорогих лазерів, які також можуть пошкодити навколишні тканини, поєднавши світлодіодне світло з нанопластинками олова.

Перетворення олова на засіб для знищення раку

Дослідники почали з шаруватих нанолистів SnS₂, які вони електрохімічно окислили до нанопластівців SnOx. Це призвело до появи крихітних дефектів, які називаються кисневими вакансіями — важливими дефектами, що дозволяють матеріалу поглинати більше світла та випромінювати більше тепла.

Електронна мікроскопія виявила, що окислені пластівці були тоншими та пористішими, ніж їхні попередники, з більшою площею поверхні для взаємодії зі світлом. Така структура, додана до нового хімічного складу, зробила їх дуже ефективними у перетворенні світла в тепло.

Вони швидко нагріли водні розчини до температури вище 60°C, температури, смертельної для знищення ракових клітин , коли нанопластівці оксиду заліза опромінювали ближнім інфрачервоним випромінюванням з довжиною хвилі 808 нанометрів – оптимальною для проникнення глибоких тканин. Ефективність фототермічного перетворення становила 45,6%, що значно вище, ніж у контрольного матеріалу.

Безпечний, цілеспрямований, багаторазовий

У тестах ракові клітини, що піддавалися впливу нанопластівців, не були високотоксичними, коли вони не піддавалися впливу світла, тобто частинки не є токсичними в темряві. Але під впливом ближнього інфрачервоного світла вони виявилися смертельними для ракових клітин. У тестах на клітинах колоректального раку та раку шкіри 30-хвилинна обробка знищила до 92% клітин раку шкіри та половину клітин колоректального раку. Здорові клітини шкіри людини залишилися неураженими.

Флуоресцентна мікроскопія виявила, що нанопластівці проникають у ракові клітини та дифундують через їх цитоплазму . При збудженні пластівці випромінюють сплески теплових спалахів, які проривають мембрани та викликають апоптоз — загибель клітин — не пошкоджуючи навколишні тканини.

Ці матеріали також були стійкими до тривалого використання. Навіть після кількох циклів нагрівання та охолодження їхня структура та функції залишалися стабільними. При зберіганні у воді вони не злиплися та зберігали свої оптичні характеристики протягом тривалого періоду, що робило їх достатньо стабільними для використання в медицині.

Світлодіоди замість лазерів

Одним із головних проривів у цьому дослідженні стала заміна дорогих потужних лазерів світлодіодами. Світлодіоди забезпечують дешевше та безпечніше джерело енергії, що робить лікування легшим у масштабуванні та безпечнішим для використання в клініці.

«Наше прагнення — зробити цю технологію доступною для пацієнтів у всьому світі», — заявив Артур Пінто, науковець з Університету Порту та співавтор дослідження. Він сподівається на портативний світлодіодний пристрій для лікування раку шкіри, який пацієнти зможуть використовувати вдома після операції. Крихітний пристрій, схожий на пластир, забезпечуватиме світлову терапію для конкретної ділянки, щоб знищити будь-які ракові клітини, що залишилися, та зменшити ризик рецидиву.

Цей перехід до терапії на основі світлодіодів сприятиме впровадженню світлових методів лікування в лікарнях або навіть вдома, особливо в тих районах, де немає великогабаритного обладнання.

Наука, що стоїть за світлом

Секрет успіху нанопластівців полягає в кисневих вакансіях — крихітних проміжках в атомній решітці, які змінюють реакцію матеріалу на світло. Вакансії створюють нові електронні стани, які мають розширений діапазон довжин хвиль ближнього інфрачервоного випромінювання для поглинання, а отже, краще захоплюють фотони та генерують тепло.

Комп'ютерне моделювання підтвердило, що окислений оксид олова має меншу ширину забороненої зони, тому він поглинає більше світлової енергії та вивільняє її у вигляді тепла, а не відбитого світла. Ця синергія наноструктурного дизайну та дефектної інженерії поєднує ефективність та універсальність матеріалу. Дослідники можуть навіть налаштовувати його реакцію, регулюючи умови окислення.

На відміну від інших фототермічних матеріалів, таких як золоті наностержні або вуглецеві матеріали, нанопластівці SnOx є дуже низькоцінними, хімічно стабільними та екологічно чистими у виробництві. Весь процес проводиться за кімнатної температури без будь-яких токсичних хімікатів, що пропонує екологічний та масштабований метод виготовлення медичних наноматеріалів.

Перспективи

Дослідники хочуть глибше дослідити нанопластівці, протестувавши їх на живих тваринних моделях, щоб спостерігати за їх циркуляцією в організмі та визначити довгострокову безпеку. Вони також вивчають способи змішування частинок з іншими матеріалами, що використовуються як каталізатори, щоб їх можна було ширше застосовувати в медицині.

Ця технологія має застосування далеко за межами раку. Те саме світлоактивоване тепло можна використовувати в антимікробній терапії або загоєнні ран , де сфокусоване тепло прискорює одужання.

Як акуратно підсумував Інкорвія: «Це крок до світлової медицини, яка є не тільки потужною, але й практичною».

Практичні наслідки дослідження

Нанопластівці SnOx можуть стати проривом у лікуванні раку, пропонуючи неінвазивну, цілеспрямовану та дешеву альтернативну терапію. Поєднання світлодіодного світла та нанопластівців олова зробить фототермальну терапію безпечнішою та доступнішою для лікарень та клінік у всьому світі.

Портативні пристрої згодом можуть принести післяопераційну світлотерапію в домашні кімнати пацієнтів, особливо для лікування поверхневих видів раку, таких як меланома .

Дослідження сприятиме тому, щоб лікування раку було стерпним для пацієнтів, які використовують менше хіміотерапії та променевої терапії; воно є менш дорогим та менш вимогливим до інфраструктури. Воно справді дає надію пацієнтам у розвинених та ресурсно обмежених системах охорони здоров'я.

Раніше ми повідомли, що дієтологи стверджують, що гранатовий сік – найкращий напій для метаболічного здоров'я. Він містить антиоксиданти та корисний для вашого кишечника та серця. Але потрібно вибрати правильний сік.