Специалисты Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ), Физического института имени П.Н. Лебедева РАН, Института химии сверхчистых материалов имени Г.Г. Девятых РАН, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами из Франции, Швейцарии, Чехии и Украины продемонстрировали новый метод оптической диагностики с помощью наночастиц кремния. Результаты этой работы опубликованы в престижном научном журнале Advanced Optical Materials.

Наночастицы — уникальный объект с точки зрения диагностики и терапии онкологических заболеваний. Если наночастицы покрыть определенными полимерами, такими, как полиэтиленгликоль, они смогут свободно циркулировать в кровотоке и при этом накапливаться в опухоли за счет «дырок» в сосудах в этой области (пассивное накопление) или за счет использования специальных адресных молекул (активное накопление).

Наночастицы могут быть обнаружены в тканях организма за счет оптического отклика, например, за счет флуоресцентной эмиссии. Это позволяет «засветить» область опухоли, где произошло их накопление. Кроме того, наночастицы могут оказать терапевтическое воздействие на опухоль как сами по себе, так и в качестве транспортного средства для лекарств вроде радионуклидов.

Кремний — один из самых безопасных неорганических материалов для биологических систем в силу идеальной биосовместимости и биодеградируемости в организме. Кремниевые наночастицы великолепны в видах терапии, связанных с локальным перегревом (гипертермия) и уничтожением клеток рака, при их облучении светом, радиочастотным излучением или ультразвуком. Однако кремниевые наночастицы оптимальных, с точки зрения терапии (20-100 нм), размеров трудно оптически визуализировать в биотканях, поскольку они не обладают способностью к флуоресценции.

Группа ученых из НИЯУ МИФИ и других российских и зарубежных научных организаций показала решение проблемы визуализации относительно больших кремниевых наночастиц в биотканях, сообщил научный руководитель Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ Андрей Кабашин:

«Такие наночастицы могут обладать мощным нелинейным откликом при оптическом возбуждении, а именно — одновременной генерацией второй гармоники излучения (ГВГ) и двухфотонной люминесценцией (ДЛ), причем генерация сигналов за счет этих двух эффектов прямо пропорциональна размерам наночастиц кремния. То есть их вклад наиболее силен именно для относительно больших наночастиц, а сигнал ГВГ еще и чувствителен к образованию агломераций наночастиц в клетках и тканях. Обнаруженные эффекты позволяют пересмотреть видение проблемы биоимиджинга для одного из самых перспективных наноматериалов».

Исследователи продемонстрировали визуализацию наночастиц кремния в живых клетках, используя предложенный бимодальный контраст на основе ГВГ и ДЛ откликов. Особенно важно, что такой метод может иметь высокое оптическое разрешение: это позволяет реконструировать 3D-изображения распределения кремниевых наночастиц в клетках и тканях.

Предложенный бимодальный биоимиджинг позволяет дополнить терапевтический функционал кремниевых наночастиц и призван значительно продвинуть разработку новых неинвазивных методов лечения онкологических заболеваний.