Ученые создали новый тип наночастиц из наноразмерных алмазов, покрытых золотом, и в экспериментах на рыбах и раковых клетках убедились, что они позволяют детальнее, чем обычные флуоресцентные маркеры на основе антител или нуклеиновых кислот, видеть структуру тканей в живых организмах. В перспективе алмазно-золотые наночастицы помогут в ранней диагностике рака, доставлять лекарства точно в нужную точку и “выжигать” опухоли с помощью фототермической терапии. Результаты исследования, которое провели ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) их коллеги из Тайваня, Италии и Германии, опубликованыexternal link, opens in a new tab в журнале Scientific Reports.
Биологи и медики в последние десятилетия активно исследуют возможности применения разных типов наночастиц для диагностики и лечения. Они, например, позволяют визуализировать органы и ткани в живых организмах: наночастицы накапливаются в опухоли и в исследуемом органе, и с помощью рентгена или магнитного резонанса можно точно определить их трехмерную структуру с точностью до отдельных клеток. При этом те же наночастицы могут использоваться и для лечения - для адресной доставки лекарств или для фототермальной или фотодинамической терапии, когда воздействие электромагнитного излучения на наночастицы позволяет уничтожить опухоль, где они скопились.
Наночастицы с разными структурами поверхности, разным составом демонстрируют разные свойства, которые не всегда можно предсказать исходя из свойств компонентов. Елена Переведенцева из ФИАНа и ее коллеги исследовали новую разновидность гибридных наночастиц, состоящих из наноалмазов с кремниевыми вакансиями, покрытых слоем золота.
«Мы исследовали эти частицы, чтобы понять, как их можно использовать в качестве инструментов для тераностики – новой области нанобиотехнологий, сочетающей методы диагностики и терапии. А поскольку они гибридные, там может быть два направления. Одно ― это смотреть собственно свойства, которые возникают за счет сочетания в наномасштабе двух материалов. Второе ― поскольку эти два материала имеют разные оптические свойства, можно посмотреть могут ли они быть использованы как частицы для получения изображений с помощью разных методов, то есть для биовизуализации», ― объясняет Елена Переведенцева, старший научный сотрудник Лаборатории физики неравновесных явлений в неоднородных системах.
SEM- и TEM-изображения наноалмазов без золота и покрытых золотомБиовизуализация позволяет без хирургии и в реальном времени отследить процессы в живом организме, получить информацию о трехмерной структуре наблюдаемого образца.
Для этого используется рассеяние света, флуоресценция, ультразвук, рентген, магнитный резонанс, потоки электронов и позитронов. Для визуализации необходимо, чтобы в организме были вещества, “заметные” для метода. Например, чтобы получить рентгеновский снимок желудка, пациенту дают контрастное вещество на основе бария. Для тех же целей используют флуоресцентные метки - флуорохромы, флуоресцентные белки и разные типы других меток, в том числе наночастицы.
В последние годы для этого широко используются наночастицы золота. Сегодня производят такие наночастицы самых разных форм и размеров. Они могут быть конъюгированы с лекарственными средствами и другими молекулами для лечения, целевой доставки и флуоресценции.
Наноалмазы также считаются потенциально перспективным материалом. Оптические и спектроскопические свойства алмазов позволяют использовать их в качестве агента для различных методов получения биоизображений, основанных на флуоресценции и комбинационном рассеянии.
Основным источником флуоресценции являются дефекты в кристаллической решетке алмазов, так называемые центры окраски или вакансии, которые образуются вокруг атомов азота или кремния, встроенных в алмаз. Ранее ученые выяснили, что соединение наноалмазов с металлом усиливает их флуоресцентные и фотоакустические свойства.
Флуоресценция наночастиц: a) при спектроскопии комбинационного рассеяния света, b) при возбуждении инфракрасным светом с длиной волны 488 нм, c) при возбуждении инфракрасным светом с длиной волны 800 нм«Наноалмазное ядро исследуемой core-shell частицы обладает собственной люминесценцией. Тем более, что туда были привнесены дефекты в виде вакансий кремния, которые дают люминесценцию с довольно узким пиком в ближней инфракрасной области спектра. У наноалмаза, который мы использовали, ярко выраженный спектр комбинационного рассеяния, которое мы тоже попробовали использовать в качестве маркера. В золотых наноструктурах также наблюдается люминесценция при двухфотонном возбуждении. Мы детектировали не интенсивность люминесценции, мы смотрели ее время жизни, которое сильно отличается от времени жизни автофлуоресценции исследуемого биологического объекта, что позволяет детектировать такие частицы при их взаимодействии с исследуемым биообъектом», ― говорит Елена Переведенцева.
Она и ее коллеги синтезировали частицы размером около 100 нанометров на основе обогащенного кремнием наноалмазного ядра, покрытого золотой оболочкой, и охарактеризовали функциональные возможности этих наноструктур для применения в биовизуализации. В ходе исследования ученые вводили наночастицы в раковые клетки и в мальков рыб данио рерио. Затем получали рентгеновские изображения высокого разрешения. Для получения микроскопических изображений, используя частицы как флюоресцентные метки, образцы облучали лазером в ближнем инфракрасном диапазоне, возбуждая однофотонную люминесценцию наноалмаза, а также измеряли время жизни флюоресценции золота при двухфотонном возбуждении. Ученые обнаружили, что гибридные наночастицы хорошо видны с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, однофотонной и двухфотонной флуоресценции. Это делает их хорошим визуализирующим агентом, в частности, для микроскопии высокого разрешения биосистем.
«Это дает возможность получать изображения разными способами. Мы можем получать изображения с помощью однофотонной люминесценции, возбуждая кремниевые дефекты наноалмаза. Мы можем получать изображение, также детектируя его комбинационное рассеяние, потому что у алмазной решетки есть подходящая интенсивная узкая линия комбинационного рассеяния. И мы можем смотреть двухфотонную люминесценцию, потому что у нанозолота она наблюдается. Благодаря этому мы можем получать изображения с помощью картирования времени жизни люминесценции. Также полученные частицы оказались достаточно контрастны при рентгеноскопии высокого разрешения. То есть мы демонстрируем четыре разных метода получения изображений, и каждый из них может дать какую-то свою информацию», ― говорит Елена Переведенцева.
Флуоресценция наночастиц в раковой клетке при спектроскопии комбинационного рассеяния светаНовые наночастицы на основе алмазов и золота могут использоваться не только для получения изображений биологических структур, но для точечной доставки лекарств, измерения температуры - даже в отдельной клетке. Золотая оболочка частиц позволяет использовать их для фототермотерапии или фотодинамической терапии. Такие частицы можно подсветить инфракрасным излучением, их температура резко повыситься и разрушит клетки, в которых они находятся — например, раковые клетки.