Группе российских и французских исследователей при участии ученых из МГУ им. М. В. Ломоносова впервые удалось синтезировать наночастицы из сверхчистого кремния, обладающие свойством эффективной фотолюминесценции. Эти частицы способны беспрепятственно проникать в клетки, что позволяет использовать их в качестве светящихся маркеров при ранней диагностике рака (www.nature.com/articles/srep24732).
Исследования по синтезу подобных наночастиц активно ведутся во многих лабораториях мира, однако, по словам одного из соавторов исследования профессора физфака МГУ Виктора Тимошенко, и х качество было неудовлетворительным. Наночастицы получали химическим синтезом в растворах кислот. «Они получались недостаточно чистыми, — говорит Тимошенко, — и в итоге токсичными. Вдобавок наночастицы имели форму, далекую от сферической, что не способствовало фотолюминесценции. Эти два недостатка сильно ограничивали их применение».
Ученые предложили другой метод, лазерную абляцию — выбивание лазерным лучом из мишени атомов, которые затем соединялись между собой в нанокристалл. Проблема здесь в том, что вырванные атомы объединялись не в частицы, а в некие неупорядоченные слои. А если даже и получались наночастицы, то не светящиеся. Наночастицы либо были слишком большими, либо чересчур быстро остывали и не успевали сформировать качественные нанокристаллы. Их необходимо было разогреть, причем на очень короткое время, чтобы стимулировать кристаллизацию.
Было решено использовать короткие импульсы лазерного излучения высокой интенсивности. Вылетевшие электроны ионизировали атомы гелия, в атмосфере которого проводился процесс. На очень короткое время (наносекунды) формировались условия лазерной плазмы, что позволяло атомам спекаться в сферические наночастицы-кристаллы. Эти шарики падали на поверхность, где собирались в виде рыхлого слоя, который впоследствии легко диспергировался в воде.
Наночастицы были как раз того размера (2–4 нм в диаметре), который обеспечивает кремнию эффективную фотолюминесценцию, когда на один падающий фотон приходится один вылетевший. В отличие от наночастиц, полученных химическим травлением, они были лишены токсичных добавок. А самое главное, они могли легко приникать в клетки. Причем в раковые клетки такие наношарики проникают с куда большей готовностью, чем в здоровые. Ведь раковая клетка всегда готова к делению и поглощает всё, что находится рядом с ней, чтобы рождать дочерние клетки. В зависимости от типа, раковые клетки обычно поглощают наночастицы на 20–30% эффективнее, чем здоровые, и уже на этом может быть основана диагностика рака на ранней стадии.
Новые наночастицы совершенно нетоксичны и легко выводятся из организма. Кроме того, к их поверхности можно прикреплять различные характерные вещества или группы биомолекул (например, антитела), позволяющие нацеливать их на проникновение именно в раковые клетки и тем самым увеличивать эффективность диагностики. А в будущем к полученным наночастицам можно будет прикреплять вещества-лекарства, что позволит не только распознать раковую опухоль, но и вести локальную химио- или радиотерапию на клеточном уровне.
По материалам Пресс-службы МГУ
Вопрос о химической токсичности наночастиц, полученных химическим путем, важен, но по крайней мере в некоторых случаях, как показывает опыт, эта токсичность допустима. Дело в том, что существует (по-видимому, полузабытый) опыт очень широкого применения наночастиц оксида тория в качестве рентгеноконтрастного материала. Эти наночастицы входили в состав торотраста и, возможно, умбратора и ториодола (публикации с информацией о размерах частиц оксида тория в двух последних препаратах и технологии производства ториодола мне неизвестны; технологии производства торотраста и умбратора были близки). Опыт применения этих материалов трагичен, но тяжелые осложнения были обусловлены не химической токсичностью, а радиоактивностью тория и сопутствующих ему радиоактивных элементов. Моя статья, где, в частности, приведена соответствующая библиография, будет опубликована в Письмах в ЭЧАЯ, в настоящее время начальный вариант этой статьи доступен в виде препринта ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН № 1813 (2016).
Михаил Шматов, доктор физ.-мат. наук, старший научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН