Нанотераностика – часть тераностики, использующая для диагностики и терапии, вводимые в организм наночастицы. Размеры частиц незначительны и составляют 1 – 200 нм.
Тераностические наночастицы — это многофункциональные наносистемы, которые хорошо разработаны для более специфичного и персонализированного контроля над заболеваниями путем объединения диагностических и терапевтических возможностей в одной биосовместимой и биодеградируемой наночастице.
Наночастицы созданы так, что перемещаясь с током крови и лимфы, способны самостоятельно находить пораженную болезнью область, например, проникать в раковую опухоль через характерную для нее чрезвычайно густую сосудистую сеть с рыхлыми стенками. Также они могут двигаться в организме совместно с небольшими молекулами, пептидами, аптамерами, дендримерами, высокомолекулярные антителами и быть носителями для радиоактивных меток.
Наночастица кремния. Изображение в электронном микроскопе. Размер около 50 нм.
Требования к наночастицам в тераностике
- Безопасность для человека
- Быстрое и селективное накопление в интересующих структурах
- Способность давать полную информацию о биохимических и морфологических характеристиках заболевания
- Эффективность доставки лекарственных средств без повреждения здоровых органов
- Эффективность доставки лекарственных средств без повреждения здоровых органов
Наночастицы мезопористого кремнезема
Мезопористые наночастицы кремнезема (MSN) используются в качестве потенциальных носителей лекарственных средств. Они обладают: уникальной морфологией, монораспределением, настраиваемым размером (50–300 нм) с однородным размером пор (2–6 нм) и объемом пор, отличной биосовместимостью, термической стабильностью, исключительными физико-химическими свойствами (например, коллоидная стабильность/ диспергируемость в воде), универсальным химическим составом поверхности, большой площадью поверхности.
Визуализация поглощения опухолью и печенью наночастиц MNS меченных 64Cu с течением времени
1, 4, 24 и 48 ч после инъекции. Доклиническая фаза.
Настоящие наночастицы обладают высоким потенциалом для лечения рака молочной железы. Таргетная альфа-терапия, при которой высокоцитотоксические дозы доставляются к опухолевым клеткам при сохранении окружающей здоровой ткани, стала многообещающим методом лечения рака. Наночастицы кремнезема были конъюгированы с трансферрином, который способствовал накоплению частиц в раковых клетках, и 3,4,3-LI (1,2-HOPO), хелатором с высокой селективностью и сродством связывания для элементов f-блока. Высокие цитотоксические эффекты наблюдались, когда наночастицы были мечены радиоизотопом 225Ас. Исследования in vivo на мышах показали, что введение радионуклидов с наночастицами усиливает их выведение и сводит к минимуму их отложение в костях. Эти результаты подчеркивают потенциал многофункциональных наночастиц в качестве систем доставки для целевой альфа-терапии и предлагают понимание правил проектирования для разработки новых нанотерапевтических агентов.
Фотолюминесцентные наночастицы (PLNP)
PLNP (Полупроводниковые нанокристаллы) — это класс материалов, которые обладают гибридными молекулярными и объемными свойствами. В последнее время люминесцентные полупроводниковые нанокристаллы, получившие название нанофосфоров, привлекли интерес большого числа исследователей из-за их новых и необычных структурных, электронных и оптических свойств.
PLNP могут накапливать часть энергии возбуждения, а затем выделять фотонное излучение в течение значительного времени после прекращения воздействия. Такое явление непрерывной люминесценции называется PersL или послесвечение, которое достигается за счет образования дефектов путем легирования эмиттерных ионов в определенной матрице и захвата высвобожденных электронов через эти дефекты.
PLNP могут возбуждаться несколькими источниками возбуждения, такими как УФ, светодиоды, лазеры ближнего ИК-диапазона, рентгеновские лучи и радиофармпрепараты, что позволяет преодолеть плохое качество изображения и низкую глубину проникновения, вызванную коротковолновым возбуждением.
Тераностика с использованием PLNP наночастиц
Наночастицы серебра
Наночастицы серебра (Ag) обладают высокой теплопроводностью, химической стабильностью, антибактериальными / -вирусными / -грибковыми и антиоксидантными свойствами. Они являются плазмоннами, поэтому электроны проводимости, принадлежащие частице, могут коллективно колебаться в электромагнитном поле падающего света. Частоты света, совпадающие по фазе с этими колебаниями, интенсивно рассеиваются или поглощаются наночастицей, создавая явление, известное как поверхностный плазмонный резонанс. Придание определенной формы наночастице серебра позволяет точно настроить длину волны поверхностного плазмонного резонанса в соответствии с окном прозрачности ткани. Таким образом, они могут применяться в качестве контрастных агентов изображений или биосенсоров для улучшения разрешения существующих методов визуализации или замены флуоресцентных молекул.
Помимо диагностической функции наночастицы серебра усиливают терапевтический эффект от лучевой терапии. Атомы с высоким атомным номером позволяют усилить эффект от воздействия ионизирующего излучения в небольшой области вокруг них. Это достигается за счет серии фотоэлектрических, комптоновских и других подобных процессов, когда поток низкоэнергетических электронов из наночастицы генерирует ионы, что приводит к разрушению соседней клетки. Используя этот метод, можно доставлять более низкие дозы излучения при сохранении эффективности поражения опухоли-мишени, что приводит к меньшему количеству негативных побочных эффектов.
Наночастицы золота
Золотые наночастицы обладают уникальными оптическим характеристиками. При воздействии на них внешнего лазера с определенной длиной волны возбуждается коллективные и когерентные колебания электронов проводимости вблизи поверхности золотой наночастицы, и эти колебания находятся в резонансе с частотой падающего света. Возникают пики рассеяния и спектрального поглощения, что приводит к усилению локального поля. Данное явление называется локализованным поверхностным плазмонным резонансом.
Благодаря замечательным плазмонным свойствам и большому отношению площади поверхности к объему наночастиц золота, они широко исследовались на предмет их потенциального применения в обнаружении биомаркеров наличия злокачественных образований. Обнаружение некоторых биомаркеров на сверхнизких уровнях является сложной задачей и требует сверхчувствительных стратегий обнаружения
Наночастицы золота применяются в дополнение к следующим методам визуализации:
- Фотоакустическая визуализация связанна с оптическими свойствами различных тканей. Золотые наночастицы обладают высоким молярным коэффициентом экстинкции, который может максимизировать количество поглощенного света, обеспечить оптимальное света проникновение в ткань, чтобы избежать сильного поглощения собственных хромофоров, и не подвержены фотообесцвечиванию. Данные частицы выбирают в качестве экзогенных контрастных агентов, способных указывать на присутствие различных опухолей по их накоплению. Возможно применение в картирование сторожевых лимфатических узлов для отслеживания метастазирования опухолей.
Фотоакустическая визуализация голых мышей с опухолью Capan-1
- Магнитно-резонансная томография с золотыми наночастицами, обладающими анизотропной геометрией увеличивают неоднородность локального поля под действием внешнего магнитного поля. Наночастицы золота улучшают контраст за счет сокращения времени продольной (T1) или поперечной (T2) релаксации протонов
МРТ с золотыми наночастицами
В настоящее временя золотые наночастицы применяются в основном в фотодинамической терапии. Они увеличивают квантовый выход тканей воздействие на них лазером, тем самым увеличивают содержание синглетного кислорода, который является свободным радикалом. Активизируются процесс некроза и апоптоза клеток.
Магнитные наночастицы
Магнитные наночастицы представляют особый интерес для приложений in vivo, поскольку они обеспечивают простоту обнаружения благодаря усиленному контрасту при визуализации биологических тканей, а также простоту навигации и локализации патологического образования за счет приложения внешнего электрического поля.
Наночастицы данной группы, как правило, являются магнитными композиционными материалами, состоящими из железа, никеля, кобальта и других металлов, и их оксидов.
Существует несколько типов магнитных наночастиц:
- Магнитные наночастицы, покрытые диоксидом кремния представляют собой магнитные наноматериалы, завернутые в нанокремнезем (nSiO 2 ). Микросферы nSiO 2 могут быть введены в организмы путем ингаляции, чрескожного проникновения или инъекции. Поверхность обладает сильной адсорбционной силой и может быть модифицирована. Магнитные мезопористые наночастицы диоксида кремния, покрытые полидофамином потенциально пригодны для мультимодальной тераностики рака. Эксперименты in vivo демонстрируют, что RBC @ MMSN (магнитные мезопористые наночастицы диоксида кремния, скрытые в мембране эритроцитов) могут избежать иммунного клиренса и достичь индуцированного магнитным полем высокого накопления в опухоли.
- Суперпарамагнитные наночастицы оксида железа. Из-за большой скорости вращения неспаренных электронов вне ядра железа возникает вектор намагниченности, вызывающий сильный парамагнетизм. SPION (диоксид железа) широко используется в области биомедицины благодаря своим суперпарамагнитным свойствам. В настоящее время различные препараты SPION используются в клинических испытаниях, и их безопасность получает все большее признание.
- Магнитные наночастицы с липидным покрытием образуют коллоидную структуру, которую обычно называют «магнитными липосомами». Классическая магнитная липосома состоит из тела оксида железа с диаметром около 14 нм в качестве ядра и фосфолипидного биослоя, нанесенного на поверхность.
Перспектива применения магнитных наночастиц лежит области МРТ, ПЭТ/ МРТ визуализации, а также магнитная гипертермия
