Исследователи из Корнелла разработали новый способ безопасного нагрева определённых участков внутри тела с помощью биоразлагаемых полимеров, содержащих крошечные водяные карманы. Активация происходит под воздействием ближнего инфракрасного лазера. Эта технология может привести к точной и неинвазивной диагностике и лечению, например, для борьбы с раком.
Результаты исследования опубликованы в ACS Nano. Ведущим автором является постдокторант Джинха Квон.
Проект начался, когда доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии в Корнелле Житинг Тянь захотела применить опыт своей лаборатории в области наномасштабного теплопереноса и преобразования энергии — который находит применение в самых разных областях, от микроэлектроники до освоения космоса — в биомедицине.
Сначала ей нужно было найти подходящую систему доставки. В 2014 году она наткнулась на статью о полилактид-когликолидных (PLGA) полимерах, которые могут быть активированы ближним инфракрасным светом и высвобождать лекарства. Сам полимер не может поглощать ближний инфракрасный свет, но авторы выдвинули гипотезу, что, возможно, вода была заключена внутри него, и именно ограниченная вода реагировала на свет и обеспечивала высвобождение лекарства.
Такой подход особенно заинтересовал Тянь, потому что, в отличие от золотых наностержней или полупроводящих полимеров, которые использовались для аналогичных целей, PLGA-полимеры биоразлагаемы — то есть не представляют долгосрочного риска для организма и уже одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA).
Тянь стремилась проверить их гипотезу, но в то же время она всё ещё думала, где и как применить PLGA в качестве локального нагревателя. В 2022 году она увидела исследование группы под руководством профессора Госонга Хонга в Стэнфордском университете, в котором использовалось инфракрасное излучение для нагрева чувствительных к температуре ионных каналов и контроля целенаправленной активности нейронов в глубоком мозге.
«Я была в восторге от этой работы, потому что если активность нейронов можно активировать или подавлять с помощью локального нагрева, значит, мы можем использовать эти частицы PLGA для этой цели», — сказала Тянь.
Она решила, что хочет узнать больше, поэтому вернулась в школу и провела семестр в Стэнфорде в творческом отпуске.
«Я посетила группу, статью которой прочитала, и осталась в их лаборатории. Я ходила на встречи, наблюдала, как они проводят эксперименты, и посещала занятия, которые профессор проводил каждую неделю. Было так приятно снова стать студенткой, и я могла делать заметки и изучать все эти новые концепции. Это было весело», — сказала Тянь.
Тянь вернулась в Корнелл с более глубоким пониманием нейромодуляции и того, как объединить её с работой своей лаборатории по измерению теплопереноса и опытом в области материалов.
Но в одной области её команда не имела большого опыта — проведении экспериментов с клетками in vitro, поэтому они обратились за экспериментальной поддержкой в лабораторию Нозоми Нисимуры, доцента кафедры биомедицинской инженерии в Корнелле.
Исследователи опробовали два разных метода — одинарную и двойную эмульсию — для получения наночастиц PLGA. В конце концов они обнаружили, что одинарная эмульсия, при которой водяные карманы не вводятся намеренно, а высокочастотные звуковые волны заставляют молекулы воды диффундировать в частицы, приводит к образованию более мелких водяных карманов, которые, как это ни парадоксально, могут достигать более высокой температуры.
«Фокус в том, что вода ведёт себя по-другому, когда заключена в крошечные пространства. Она нагревается более эффективно, чем обычная объёмная вода», — сказала Тянь. «И у нас есть полимерный слой, который действует как тепловой изолятор, удерживая тепло внутри и не позволяя ему слишком быстро уходить».
Этот процесс обеспечивает необходимый контраст между фототермическим агентом, то есть заключённой в полимере водой, и клеточным окружением, создавая локализованный нагрев.
Помимо нейромодуляции, ещё одним многообещающим применением технологии является гипертермическая терапия, при которой раковые клетки разрушаются с помощью тепла, чтобы химиотерапия и лучевая терапия были более эффективными.
«Вы хотите быть очень целенаправленными, локальными и точными, и повышать температуру раковых клеток, но не повреждая здоровые ткани», — сказала Тянь. «Пока что мы можем более или менее понять, что происходит с фундаментальными механизмами внутри. Мы провели клеточный тест, чтобы убедиться, что частицы безопасны и не мешают ключевым клеточным функциям. Я думаю, что следующим большим шагом будет переход к тестированию in vivo, когда мы применим это на животных моделях и увидим эффект».