Самые маленькие в мире лазеры против рака: новое изобретение

Исследователи из Арканзасского университета медицинских наук (США), Института автоматики и электрометрии СО РАН, Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН и Университета штата Джорджия (США) разработали самый маленький 22-нанометровый спазер, способный генерировать когерентное оптическое излучение непосредственно внутри живых клеток и тканей организма. Его предлагается использовать в качестве сверхъяркого водорастворимого биологически совместимого зонда. Результаты работы опубликованы в Nature Communications.

Этот плазмонный нанолазер складывается из нескольких составляющих: резонатора, представляющего собой частицу золота, которая поддерживает плазмонный резонанс, и изоионной изопористой оболочки, заполненной красителем (в данном случае — уранином, он излучает в области 520 — 530 нанометров, что совпадает с плазмонным резонансом золотой наночастицы, хорошо растворим в воде и физиологическом растворе, благодаря чему широко используется в медицине). К оболочке «пришивается» фолиевая кислота — таким образом спазер приобретает молекулярную адресность для раковых клеток и не взаимодействует со здоровыми.

Когда эти плазменные нанолазеры вводятся в организм, сначала они поодиночке или небольшими группами скапливаются на границе мембраны раковой клетки. А затем, после десятиминутной выдержки, проникают в цитоплазму. При этом они нагреваются, и их становится легко визуализировать с помощью различных оптических методов.

«Мы продемонстрировали режим генерации, связанный с формированием вокруг этого спазера динамического нанопузырька, что приводит к гигантскому лазерному эффекту с интенсивностью излучения в 100 раз большей и спектральной шириной раз в 30 уже, чем для квантовых точек», — говорит заведующий лабораторией физики лазеров Института автоматики и электрометрии СО РАН доктор физико-математических наук Александр Иванович Плеханов.

Спазеры могут не только визуализировать раковые клетки, но и убивать их. При значительном превышении порога генерации излучения, за счет того, что металлическая сердцевина поглощает его, вокруг плазмона образуется нанопузырек пара, который и разрушает опасную клетку — сначала цитоплазму, потом мембрану. Причем всё это работает при энергиях даже ниже, чем требуется по стандартам лазерной безопасности.

«Мы изучили цитотоксичность наших спазеров на растворе с клетками рака молочной железы и выяснили: их содержание вплоть до 10 миллиграммов на миллилитр раствора (для достижения терапевтического эффекта необходимо гораздо меньше) не является опасным, — комментирует исследователь. — То есть, когда спазеры заходят в раковую клетку, они её не убивают. Но если воздействовать лазерным излучением, то она гибнет — из-за того, что образующаяся конструкция разрывает раковую клетку изнутри. В то же время они не реагируют на нормальную клетку, независимо от того, есть там лазерное излучение или нет».

Диагностический потенциал спазеров продемонстрирован и в опытах с раствором раковых клеток, и в экспериментах на мышах — отмеченные раковые клетки в токах крови и лимфы отлично видны через живую ткань.

«Таким образом, мы продемонстрировали универсальные функциональные возможности спазеров в различных биологических условиях (клеточные цитоплазмы, пробирки, ткани мышей в естественных условиях) и установили, что спазеры могут служить в качестве малотоксичных зондов с молекулярной специфичностью и высокой спектральной яркостью, которой невозможно достичь с помощью квантовых точек. Удалось показать эффективность плазмонных нанолазеров как фототепловых и фотоакустических контрастных средств диагностики и терапии», — говорит Александр Плеханов.

Сейчас исследователи работают над тем, чтобы сделать спазер, который работал бы в инфракрасной области. Тогда станет возможным улучшить некоторые показатели, например такие, как прозрачность тканей.