«Суть проблемы состояла в том, что раньше невозможно было активировать рибофлавин в раковой опухоли. Мы же нашли способ фотоактивации рибофлавина в глубине биоткани благодаря использованию так называемых апконвертирующих наночастиц», — рассказывает один из авторов статьи, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики поверхности и лазерно-плазменных процессов Института фотонных технологий ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, руководитель гранта РНФ, кандидат физико-математических наук Евгений Хайдуков.

Эффективные фотосенсибилизирующие свойства рибофлавина были известны ранее. Витамин В2 способен нарабатывать активные формы кислорода, уничтожающие раковые клетки. Но суть вопроса сводилась к тому, чтобы научиться активировать (возбуждать) рибофлавин в глубине биоткани и запускать нужный каскад реакций. Дело в том, что рибофлавин способен перейти в возбужденное состояние, если на него воздействовать лучами света в синем или ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. Проблема в том, что такой свет не проникает в биоткань на глубину, достаточную для того, чтобы уничтожить опухоль.

Однако ученым известно, что существует так называемое окно прозрачности биологических тканей в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.

Свет ближнего ИК-диапазона спектра не представляет вреда для человека и способен проникать в глубину тканей нашего тела. Таким образом, нужно было создать «посредника», способного преобразовывать ИК-свет в фотоны синего и ультрафиолетового диапазона спектра, необходимые для активирования рибофлавина.

Наилучшими кандидатами на роль «посредника» выступили апконвертирующие наночастицы NaYF4:Yb3+:Tm3+, обладающие уникальными оптическими свойствами. Ионы лантанидов в наночастицах при последовательном поглощении квантов инфракрасного света переходят в метастабильные возбужденные состояния. В этом состоянии энергия, запасенная в наночастицах, при определенных условиях может безизлучательно передаваться молекулам рибофлавина, который, в свою очередь, нарабатывает активные формы кислорода, уничтожающие раковые клетки.

Ученые определили критический уровень рибофлавина, который нужно обеспечить в опухоли для того, чтобы ее можно было уничтожить. Оказалось, что необходимая концентрация рибофлавина составляет 30 микромолей на литр (с точки зрения биологии и медицины это достаточно много). На следующем этапе исследования нужно было понять: можно ли получить требуемую высокую концентрацию витамина в опухоли? Оказалось, что и это возможно.

«Рибофлавин, или витамин В2, является уникальным биологически активным веществом, играющим важную роль в поддержании здоровья человека. Дело в том, что у рибофлавина огромный окислительно-восстановительный потенциал: его производные входят в состав большого числа важнейших ферментов. Таким образом, рибофлавин играет важнейшую роль транспортера энергии в клетках», — подчеркивает Евгений Хайдуков.

Механизм накопления рибофлавина в раковых клетках остается до конца не ясным. Но, по-видимому, это связано с тем, что скорость деления раковых клеток намного выше, чем скорость деления здоровых клеток. То есть потребность в энергии у раковых клеток возрастает.

Именно это и приводит к тому, что они так «любят» витамин В2.

Используя этот механизм, можно обеспечить необходимую концентрацию рибофлавина в опухолевых тканях. Причем при его системном введении абсолютно отсутствует негативное воздействие на организм в целом, поскольку человеческий организм не накапливает рибофлавин, а любой его избыток легко выводится.

Ученые получили активный супрамолекулярный комплекс, содержащий рибофлавин и апконвертирущие наночастицы (нанофосфоры), которые запускают каскад реакций, приводящих к выделению активных форм кислорода и к уничтожению раковых клеток. Этот комплекс будет вводиться внутривенно.

Накопление супрамолекулярного комплекса в опухоли становится возможным благодаря EPR-эффекту. Он заключается в том, что опухоль уязвима из-за особенностей ее сосудистой системы. Когда опухоль развивается, клетки выбрасывают так называемые факторы роста в большом количестве, и поэтому сосуды, которые растут в опухоли, не успевают сформироваться правильно и обладают большим количеством дефектов. По словам ученого, их можно представить как «ржавые трубы с дырами». Из этих «дырок» супрамолекулярный комплекс может «выпасть» и остаться в опухоли. Поэтому фактически получается, что при вводе в кровоток препарата комплексы «выпадают» из сосудов, концентрируясь в опухоли.

Наличие в спектре фотолюминесценции комплекса линии на длине волны 800 нм, в дополнение к описанным возможностям, позволяет одновременно проводить оптическую визуализацию состояния опухолевых тканей. Что делает созданный учеными супрамолекулярный комплекс тераностическим агентом (обеспечивающим как диагностику, так и терапию).

«Пока исследования проводились на лабораторных мышах, которым была привита злокачественная опухоль человека — рак молочной железы. При однократном воздействии наблюдалось ремиссия заболевания и уменьшение объема опухоли более чем на 90%», — говорит Евгений Хайдуков.

Ученые планируют дальнейшее сотрудничество со специалистами из Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина, которые являются соавторами представленной работы. Следующим шагом планируются доклинические испытания полученной методики.

«Суть проблемы состояла в том, что раньше невозможно было активировать рибофлавин в раковой опухоли. Мы же нашли способ фотоактивации рибофлавина в глубине биоткани благодаря использованию так называемых апконвертирующих наночастиц», — рассказывает один из авторов статьи, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики поверхности и лазерно-плазменных процессов Института фотонных технологий ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, руководитель гранта РНФ, кандидат физико-математических наук Евгений Хайдуков.

Эффективные фотосенсибилизирующие свойства рибофлавина были известны ранее. Витамин В2 способен нарабатывать активные формы кислорода, уничтожающие раковые клетки. Но суть вопроса сводилась к тому, чтобы научиться активировать (возбуждать) рибофлавин в глубине биоткани и запускать нужный каскад реакций. Дело в том, что рибофлавин способен перейти в возбужденное состояние, если на него воздействовать лучами света в синем или ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. Проблема в том, что такой свет не проникает в биоткань на глубину, достаточную для того, чтобы уничтожить опухоль.

Однако ученым известно, что существует так называемое окно прозрачности биологических тканей в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.

Свет ближнего ИК-диапазона спектра не представляет вреда для человека и способен проникать в глубину тканей нашего тела. Таким образом, нужно было создать «посредника», способного преобразовывать ИК-свет в фотоны синего и ультрафиолетового диапазона спектра, необходимые для активирования рибофлавина.

Наилучшими кандидатами на роль «посредника» выступили апконвертирующие наночастицы NaYF4:Yb3+:Tm3+, обладающие уникальными оптическими свойствами. Ионы лантанидов в наночастицах при последовательном поглощении квантов инфракрасного света переходят в метастабильные возбужденные состояния. В этом состоянии энергия, запасенная в наночастицах, при определенных условиях может безизлучательно передаваться молекулам рибофлавина, который, в свою очередь, нарабатывает активные формы кислорода, уничтожающие раковые клетки.

Ученые определили критический уровень рибофлавина, который нужно обеспечить в опухоли для того, чтобы ее можно было уничтожить. Оказалось, что необходимая концентрация рибофлавина составляет 30 микромолей на литр (с точки зрения биологии и медицины это достаточно много). На следующем этапе исследования нужно было понять: можно ли получить требуемую высокую концентрацию витамина в опухоли? Оказалось, что и это возможно.

«Рибофлавин, или витамин В2, является уникальным биологически активным веществом, играющим важную роль в поддержании здоровья человека. Дело в том, что у рибофлавина огромный окислительно-восстановительный потенциал: его производные входят в состав большого числа важнейших ферментов. Таким образом, рибофлавин играет важнейшую роль транспортера энергии в клетках», — подчеркивает Евгений Хайдуков.

Механизм накопления рибофлавина в раковых клетках остается до конца не ясным. Но, по-видимому, это связано с тем, что скорость деления раковых клеток намного выше, чем скорость деления здоровых клеток. То есть потребность в энергии у раковых клеток возрастает.

Именно это и приводит к тому, что они так «любят» витамин В2.

Используя этот механизм, можно обеспечить необходимую концентрацию рибофлавина в опухолевых тканях. Причем при его системном введении абсолютно отсутствует негативное воздействие на организм в целом, поскольку человеческий организм не накапливает рибофлавин, а любой его избыток легко выводится.

Ученые получили активный супрамолекулярный комплекс, содержащий рибофлавин и апконвертирущие наночастицы (нанофосфоры), которые запускают каскад реакций, приводящих к выделению активных форм кислорода и к уничтожению раковых клеток. Этот комплекс будет вводиться внутривенно.

Накопление супрамолекулярного комплекса в опухоли становится возможным благодаря EPR-эффекту. Он заключается в том, что опухоль уязвима из-за особенностей ее сосудистой системы. Когда опухоль развивается, клетки выбрасывают так называемые факторы роста в большом количестве, и поэтому сосуды, которые растут в опухоли, не успевают сформироваться правильно и обладают большим количеством дефектов. По словам ученого, их можно представить как «ржавые трубы с дырами». Из этих «дырок» супрамолекулярный комплекс может «выпасть» и остаться в опухоли. Поэтому фактически получается, что при вводе в кровоток препарата комплексы «выпадают» из сосудов, концентрируясь в опухоли.

Наличие в спектре фотолюминесценции комплекса линии на длине волны 800 нм, в дополнение к описанным возможностям, позволяет одновременно проводить оптическую визуализацию состояния опухолевых тканей. Что делает созданный учеными супрамолекулярный комплекс тераностическим агентом (обеспечивающим как диагностику, так и терапию).

«Пока исследования проводились на лабораторных мышах, которым была привита злокачественная опухоль человека — рак молочной железы. При однократном воздействии наблюдалось ремиссия заболевания и уменьшение объема опухоли более чем на 90%», — говорит Евгений Хайдуков.

Ученые планируют дальнейшее сотрудничество со специалистами из Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина, которые являются соавторами представленной работы. Следующим шагом планируются доклинические испытания полученной методики.