Золотая диагностика: драгметаллы помогают обнаружить раковые клетки

В Национальном исследовательском ядерном университете (НИЯУ) «МИФИ» решают задачу раннего обнаружения злокачественных новообразований, применяя драгметаллы. Остроумный и высокотехнологичный метод распознавания зарождающейся опухоли в легких, простате и молочной железе разрабатывают на стыке биофизики, молекулярной генетики и нанотехнологий.

Над методикой работают ученые центра «Нано-фотон» НИЯУ «МИФИ» совместно с белорусскими коллегами. Их проект «Плазмонные и экситонные оптические квантовые сенсоры для высокочувствительной многопараметрической диагностики злокачественных новообразований» («Онкосенс») победил в грантовом конкурсе Российского научного фонда. Исследовательская группа поставила задачу обнаружить заболевание задолго до того, как оно проявится как новообразование.

У переродившихся в раковые клеток есть характерные признаки. Они потребляют очень много энергии, пожирают все, что контактирует с их поверхностью, неконтролируемо делятся, разрастаются до огромных размеров.

«На мембране раковых клеток появляются специфичные белки, которых нет у здоровой клетки, — уточняет руководитель «Нано-фотона» профессор Игорь Набиев. — Эти белки называют онкомаркерами. Обнаружив их, мы придем к однозначному выводу, что механизм образования злокачественной опухоли запущен. Причем сделаем это, когда никаких других признаков заболевания пока нет».

Для поиска онкомаркеров обычно используют распознающие молекулы — например, антитела. Их образование — защитная реакция, и для основных разновидностей раковых опухолей антитела хорошо изучены. Антитела к специфическим белкам рака молочной железы, простаты, легких относительно просто можно получить методами генной инженерии. Если в образце биологической ткани антитела находят белок-онкомаркер, механизм злокачественного новообразования, скорее всего, пришел в действие.

Как убедиться, что «пара» сложилась? Для этого используют сенсорные метки — в основном флуоресцентные или радиоактивные. В оригинальном подходе проекта «Онкосенс» применяются наночастицы серебра, покрытые слоем золота.

«У нашего решения несколько преимуществ, — говорит Игорь Набиев. — Эти наночастицы нетоксичны и сами по себе не влияют на взаимодействие распознающей молекулы с белком-онкомаркером. Кроме того, наночастицы металла ведут себя как плазмонные материалы (см. словарь. — «СР»). Если на наночастицу из плазмонного материала направить лазерное излучение, она перейдет в возбужденное состояние — в физике такие объекты наномира называют экситонами, — при этом электромагнитное поле вблизи ее поверхности усилится в миллионы раз».

Для эффективного использования этого физического явления в диагностике нужен еще один элемент-помощник: органическая молекула с кольцевой структурой — например, производные бензола или фенола.

«Такие вещества многократно усиливают свои колебания, находясь вблизи плазмонной наночастицы, в том числе при возбуждении в видимом диапазоне спектра, — продолжает Игорь Набиев. — В нашем эксперименте мы химически связываем плазмонные наночастицы с кольцевыми органическими молекулами, генерирующими мощные колебания в поле плазмона, и с молекулами-антителами, узнающими белки-онкомаркеры. Суспензия таких диагностических нанозондов наносится на срез ткани, полученной после биопсии. Ждем определенное время, обычно около 10 минут, чтобы антитела нашли онкомаркеры и связали нанозонды с ними. Не связавшиеся с онкомаркерами нанозонды смываем солевым раствором. Облучение среза ткани лазером приводит к возбуждению плазмонных наночастиц, связанных посредством антител с онкомаркерами, и к усилению в миллионы раз колебаний связанных с ними кольцевых органических молекул. Мощный колебательный сигнал, локализованный в области нахождения онкомаркера, позволяет достичь беспрецедентной чувствительности метода».

В экспериментах ученые «Нано-фотона» распознают практически единичные белковые молекулы-онкомаркеры — так эффективно работает гибридная колебательная наносистема. Благодаря гранту на сумму 28 млн рублей, выделенную на четыре года, «Онкосенс» перейдет из стадии научной разработки в стадию предклинических исследований.

Партнеры проекта, Гродненский государственный университет и Гродненский государственный медицинский университет, проводят анализ создаваемых в МИФИ уникальных нанозондов на клинических образцах обширного банка гистологических срезов пациентов.

Словарь

Плазмон — квант коллективных колебаний электронов в наночастице. В 1952 году американские физики Пайнс и Бом ввели этот термин для обозначения квазичастицы, описывающей колебания свободного электронного газа в веществе. При помощи плазмонов удобно описывать оптические свойства металлов и полупроводников. Так, электромагнитное излучение с частотой ниже собственной частоты плазмонов хорошо отражается от материала, а излучение с частотой выше собственной частоты плазмонов проникает в толщу, проходя сквозь материал или поглощаясь им.