Наночастицы кремния широко использовались для доставки лекарств и визуализации опухолей в течение последних 30 лет. Интерес к использованию кремния в биомедицине был связан с возможностью его биоразложения в организме, а, следовательно, низкой долговременной токсичностью. Тем не менее, кристаллический кремний имеет очень низкую скорость деградации, и его выведение из организма может занимать месяцы и годы.

Коллектив ученых из Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, Национального ядерного исследовательского университета МИФИ и Сеченовского Университета предложили новый материал с высокой скоростью деградации который имеет потенциал заменить кремний в биомедицине. Работа опубликована в журнале Advanced Science.

Современная наномедицина фокусируется на безопасности, что требует создания наноматериалов с низкой токсичностью. Тем не менее, при внутривенном введении частиц большая их часть попадает в здоровые органы, в которых они могут храниться годами. Именно поэтому важной задачей остается создание наночастиц, которые могут медленно растворяться в организме и выводиться из него. Одним из таких неорганических материалов были наночастицы кремния, что создало им широкие области применения в доставке лекарств, ДНК и РНК, а также визуализации опухолей. Тем не менее скорость растворения частиц кремния сильно зависит от наличия дефектов в решетке и иногда занимает месяцы и годы.

Ближайший сосед кремния по таблице Менделеева, германий, также способен растворяться в физиологических условиях. Тем не менее предельная растворимость германия на порядок выше, чем у кремния, а также этот процесс продолжается в кислых условиях лизосом клеток. Коллективом автором статьи были получены наночастицы кристаллического германия, которые показали возможность растворения в воде в течение одних суток. Растворение происходило с выделением германиевой кислоты, которая также является малотоксичным соединением. Биоразложение и низкая токсичность частиц была подтверждена как на культурах клеток, так и в организме мышей.

Кроме того, наночастицы кристаллического германия оказались фотоактивным материалом с возможностью поглощения света в ближне-инфракрасном диапазоне. Более того, по эффективности поглощения инфракрасного света германий находился в топ 5% известных фотоактивных наноматериалов, что объясняется резонансными эффектами. Относительная прозрачность биологической ткани для инфракрасного света позволило использовать наночастицы для визуализации опухолей и их последующей терапии.

Фотоакустика — метод, измеряющий генерацию звуковых волн при нагреве и расширении наночастиц, позволил визуализировать накопление наночастиц в макрофагах, костной ткани а также на переферии опухолевой ткани. Последующее облучение опухолей ближне-инфракрасным светом приводило к терапии опухолей. Важно отметить, что терапия происходила как от непосредственного нагрева клеток, так и от появления активных форм кислорода при облучении частиц светом. Терапия существенно продлевала время жизни мышей с опухолями и приводила к полному излечению части животных. Таким образом, наночастицы германия могут выступить новой платформой для разработки фотоактивируемых нанопрепаратов, применяемых в медицине.

Работа выполнена при поддержке грантов РНФ № 21-74-30016 и № 22-72-00015.

Источник: ИБХ РАН.