Предложен новый способ безыгольных инъекций

Со времени своего появления в 1970-х годах оптомеханические инструменты были значительно усовершенствованы и нашли применение в практических приложениях, где используются движение, ускорение и захват наночастиц светом. Оптические пинцеты оказались полезными в биологических исследованиях, поскольку они позволяют контролировать движение объектов микро- и наномасштаба, разворачивать белки и молекулы, измерять силы в масштабе пиконьютонов и могут предоставлять многие другие возможности.

«Движение и ускорение наночастиц светом имеют как фундаментальное, так и прикладное значение во многих дисциплинах. Одним из примеров является безыгольная инъекция биомедицинских нанокапсул в живые ткани. В нашей работе исследуется новый физический механизм лазерно-индуцированного ускорения частиц, основанный на аномальном оптотермическом расширении облучаемых частиц. Результаты исследования показали, что подобные световые инструменты эффективно справляются с переносом частиц в слои ткани и, таким образом, могут внести значительный вклад в развитие персонализированной медицины», — поясняет Денис Кислов, научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.

Эксперимент проводился с микрочастицами ватерита радиусом 2 мкм. Ватерит представляет собой модификацию карбоната кальция (CaCO3). Благодаря их высокой несущей способности, биоразлагаемости, биосовместимости, простоте и низкой стоимости изготовления микрочастицы ватерита являются чрезвычайно многообещающей неорганической платформой для доставки лекарств. Кроме того, эти микрочастицы могут быть спроектированы в различных формах, что влияет на их оптические и биологические функции. Пористые частицы также могут быть нагружены контрастными включениями, например металлическими нанозернами, что серьезно влияет на силу взаимодействия света и вещества в композите. Это перспективно для будущих схем оптомеханических манипуляций.

Исследователи нанесли микрокапсулы ватеритана на покровное стекло, которое разместили на инвертированном микроскопе. Частицы облучались фемтосекундными лазерными импульсами. Изображение ватерита, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения, представлено на рисунке 2b, на котором выделены шероховатости поверхности сфер размером 2 мкм. Частицы таких размеров были изготовлены для лучшей визуализации: для доставки лекарств благоприятны меньшие размеры, ниже ≈0,5 мкм, из-за аспектов клеточного поглощения. На рисунке 2c показано микроскопическое изображение частиц до и после взаимодействия с лазером, после которого один элемент исчез. Лазер был сфокусирован именно на этом месте. Поглощение света частицей приводило к дальнейшему тепловому расширению, что поднимало центр масс частицы и вызывало тем самым ускорение. Скорость частицы в опыте составила около 15 м/с. В качестве мишени были использованы яйцеклетки лягушек. Трехмерное флуоресцентное изображение после инъекции подтвердило успешное включение частиц в ткани.

Александр Шалин, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ, комментирует: «Мы исследовали возможность реализации схемы безыгольной инъекции путем оптотермического ускорения частицы к мишени. Были исследованы микрочастицы ватерита, являющиеся одной из наиболее перспективных платформ для доставки лекарств. Помимо предоставления частице достаточной скорости для проникновения в мишень, она должна быть отделена от поверхности. Чтобы преодолеть связь капсулы с подложкой без использования чрезмерной мощности лазера, мы использовали фемтосекундные импульсы. После наблюдения эффекта скачка частиц нашей командой была предложена и проанализирована физическая модель процесса. Будучи актуальной для биомедицинских приложений, наша концепция еще больше расширяет возможности оптических инструментов в приложениях для доставки лекарств». 

Таким образом была продемонстирована оптотермическая лазерная безыгольная инъекция в биологический материал. Дальнейшие исследования поспособствуют разработке светочувствительных нанокапсул, которые могут быть оснащены дополнительными оптическими и биомедицинскими функциями для доставки, мониторинга и контролируемой биомедицинской дозировки.

В исследовании, кроме ученых из МФТИ, принимали участие их коллеги из Университета Тель-Авива, Технического университета Риги и МГУ им. М. В. Ломоносова. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Работа опубликована в журнале Advanced Science.