Амфифильные фотолюминесцентные наночастицы пористого кремния: потенциал для ультразвуковой терапии рака

Учёные кафедры медицинской физики физического факультета под руководством зав. лаб. в.н.с. Л.А. Осминкиной совместно с коллегами из медицинского факультета МГУ и международными партнёрами разработали амфифильные фотолюминесцентные наночастицы пористого кремния (αϕ-pSiNPs) и впервые продемонстрировали их способность повышать эффективность ультразвуковой терапии рака. Эти наночастицы благодаря уникальным физическим свойствам могут применяться одновременно для диагностики и лечения, что делает их перспективным инструментом тераностики.

Статья опубликована в высокорейтинговом международном журнале Q1.

Ключевая идея исследования заключается в использовании амфифильных наночастиц с гидрофобными порами и гидрофильной оболочкой. Такая структура делает наночастицы эффективными соносенсибилизаторами, значительно снижая порог кавитации при воздействии ультразвука низкой интенсивности. Кавитация представляет собой физическое явление, при котором в жидкости под воздействием ультразвуковых волн формируются микропузырьки. Их коллапс сопровождается локальными высокоэнергетическими процессами, такими как механическое растяжение, микропотоки и ударные волны, способные разрушать клеточные органеллыимембраны, приводя к гибели клеток. Уникальной особенностью αϕ-pSiNPs является их способность инициировать кавитацию при сниженных уровнях ультразвуковой мощности, что позволяет минимизировать риск повреждения здоровых тканей.

Преимущества разработанной технологии заключаются в уникальных оптических свойствах нанокристаллов кремния, обусловленных квантово-размерным эффектом. В процессе синтеза αϕ-pSiNPs пористый кремний подвергается частичному окислению, что приводит к формированию нанокристаллов размером 2–5 нанометров. На этом масштабе увеличение ширины запрещённой зоны значительно усиливает фотолюминесценцию наночастиц, позволяя эффективно отслеживать их локализацию внутри клеток. Эти характеристики делают αϕ-pSiNPs перспективным инструментом для высокоточной диагностики и мониторинга в биомедицине.

Эксперименты продемонстрировали, что αϕ-pSiNPs эффективно проникают в клетки, локализуясь преимущественно в цитоплазме. Под воздействием ультразвука наночастицы выступают в роли кавитационных центров, вызывая разрушение опухолевых клеток. При этом ультразвук без использования наночастиц не оказывает токсического эффекта, что подчеркивает безопасность и высокую селективность предлагаемого подхода.

Ещё одно важное преимущество αϕ-pSiNPs — их высокая биосовместимость. Тесты на клеточных культурах продемонстрировали отсутствие токсичности при концентрациях до 1 мг/мл без ультразвуковой активации. Это делает разработанные наночастицы безопасными для использования в медицинских исследованиях и потенциально в клинической практике.

Таким образом, разработанные амфифильные фотолюминесцентные наночастицы пористого кремния, выступающие в роли соносенсибилизаторов, представляют собой значительный шаг вперёд в области наномедицины. Эта инновационная технология обладает потенциалом для применения в терапии труднооперабельных и глубокорасположенных опухолей, а также может стать основой для разработки новых высокоточных методов диагностики и лечения онкологических заболеваний.

Результаты исследования нашли отражение в диссертационной работе Цуриковой У.А., выполненной под научным руководством Л.А. Осминкиной. Успешная защита диссертации состоялась 19 декабря по специальности 1.3.21 «Медицинская физика» на диссертационном совете МГУ.011.9.

Исследование было выполнено при поддержке грантов НОШ МГУ (23-SCH06-19) и РНФ (№ 24-15-00137 и 23-74-30006).