Физики смоделировали лазерный нагрев опухоли с внедренными наночастицами кремния

Отсутствие избирательности радио- и химиотерапии рака, то есть то, что они вредят и здоровым тканям, привело к развитию новых методов, например гипертермических. Их суть заключается в локальном нагреве опухолей свыше определенной температуры (часто 42оС), в результате чего те повреждаются или разрушаются. Повысить температуру можно разными способами, но точечный результат дает применение лазеров.

«Чтобы лазерное излучение по-разному влияло на больные и на здоровые ткани, нужно изменить их оптические характеристики. Если просто светить лазером на опухоль, находящуюся в объеме нормальной ткани, то они обе будут повреждаться из-за близких значений характеристик рассеяния и поглощения света. Один из способов повлиять на это — ввести кремниевые наночастицы в новообразование. Тогда наночастицы изменят оптические свойства раковой ткани, она будет сильнее поглощать лазерное излучение, а значит, и сильнее нагреваться. Благодаря хорошей биосовместимости кремниевые наночастицы можно использовать для этих целей», — рассказывает доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники, кандидат физико-математических наук Станислав Заботнов.

Для того, чтобы подобрать оптимальные параметры лазерного воздействия, ученые использовали компьютерное моделирование. В данной работе оно производилось в три этапа. Сперва моделировались оптические характеристики наночастиц и тканей, рассчитывались их коэффициенты рассеяния и поглощения. Второй этап — расчет поглощения излучения в объеме опухоли и здоровой ткани, то есть рассматривалось, как распределяется в них энергия падающего лазерного луча. На третьем этапе по данным о распределении поглощенной энергии переходили к расчету нагрева в каждой конкретной точке модельного объекта. В итоге получилась трехмерная картина, на которой видна температура каждого участка после воздействия лазерного излучения.

Задачей исследования было не просто смоделировать весь процесс, но и подобрать оптимальные параметры лазера, которым облучают опухоль. Например, ученые выяснили, что оптимальный размер лазерного пучка должен быть примерно равен диаметру облучаемой опухоли. Важно отметить, что глубина проникновения анализируемого лазерного излучения красного цвета в ткани организма не более 1 сантиметра — это значит, что опухоль должна располагаться близко к поверхности, непосредственно под верхними слоями кожи. В качестве модельного объекта ученые выбрали базальноклеточную карциному. Это наиболее часто встречающийся тип рака кожи, когда перерождаются быстро делящиеся, а потому очень чувствительные к повреждению ДНК ультрафиолетовыми лучами базальные клетки, которые дают начало плоским, находящимся на самой поверхности. По результатам моделирования был показан достаточный температурный контраст (до 5оС) между клетками опухоли и окружающими клетками здоровой ткани. Это делает возможным уничтожение карциномы при лазерном нагреве до 42оС, в то время как здоровые ткани останутся практически целыми при меньших температурах.

Моделирование производилось для двух типов кремниевых наночастиц: одни были получены в воде, а другие в этаноле. Метод изготовления кремниевых наночастиц называется лазерной абляцией — это процесс удаления вещества с поверхности облучаемой мишени — здесь это кремниевые нанонити. В них атомы слабо связаны друг с другом, а значит, лазеру проще их «выбивать», вдобавок у таких нитей невысокая теплопроводность. Все это позволяет получать нужное количество наночастиц быстрее и в больших объемах, чем если бы абляции подвергался кристаллический кремний.

«Ранее мы экспериментально получили так называемые водные и этанольные суспензии наночастиц, данные об их размерах и оптических свойствах были использованы для компьютерного моделирования. У этих двух типов наночастиц разные оптические характеристики: водные и поглощают лучше, и рассеивают лучше, а этанольные напротив: хуже поглощают и хуже рассеивают. В результате моделирования выяснилось, что для нашей задачи больше подходят именно этанольные суспензии наночастиц, потому что они позволяют излучению глубже проникнуть в ткань из-за меньшего рассеяния, и в итоге опухоль сильнее нагревается», — рассказала выпускница аспирантуры физического факультета МГУ, первый автор статьи Ольга Соколовская.

Полученные результаты являются необходимым шагом перед проведением реальных экспериментов как на тканевых фантомах (материалах и системах со свойствами, близкими к природным), так и на живых организмах. В ближайшем будущем планируются экспериментальные работы с использованием агаровых фантомов биотканей — они позволят смоделировать ткани организма и их нагрев в зависимости от введения кремниевых наночастиц.