Физики МГУ смоделировали лазерный нагрев опухоли с внедренными наночастицами кремния

Сотрудники кафедры общей физики и молекулярной электроники и их коллеги из Нижнего Новгорода исследовали возможность использования кремниевых наночастиц для терапии раковых опухолей на примере узелковой базальноклеточной карциномы – часто встречающегося заболевания кожи человека. Учёные моделировали процесс локальной гипертермии: это прицельный нагрев тканей до таких температур, при которых новообразование погибает. С помощью математических расчётов было показано, что кремниевые наночастицы могут усиливать нагрев опухоли, а значит приводить к ее адресному уничтожению. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда. Результаты работы опубликованы в журнале Photonics.

Известно, что при нагреве выше определённой температуры клетки организма повреждаются или разрушаются. Если удастся осуществить локальную гипертермию (то есть нагревать только лишь злокачественные ткани без ущерба здоровым), то нежелательные клетки будут «точечно выжигаться» под воздействием лазера. «Чтобы лазерное излучение по-разному влияло на больные и на здоровые ткани, нужно изменить их оптические характеристики. Ведь если просто светить лазером на опухоль, находящуюся в объеме здоровой 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 опухоль. Тогда наночастицы изменят оптические свойства опухолевой ткани, она будет сильнее поглощать лазерное излучение, а значит сильнее нагреваться. Благодаря хорошей биосовместимости кремниевых наночастиц их можно использовать для этих целей» – рассказывает доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники, к. ф.-м. н. Станислав Васильевич Заботнов.

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

Задачей исследования было не просто смоделировать весь процесс, но и подобрать оптимальные параметры лазера, которым облучают опухоль. Например, учёные 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 см – это значит, что опухоль должна располагаться близко к поверхности, непосредственно под верхними слоями кожи. В качестве модельного объекта была выбрана базальноклеточная карцинома, удовлетворяющая этому условию. По результатам моделирования был показан достаточный температурный контраст (до 5^оС) между клетками опухоли и окружающими клетками здоровой ткани. Это делает возможным уничтожение карциномы при превышении температуры 42^оС в результате нагрева лазерным лучом, в то время как здоровые ткани останутся практически целыми при меньших температурах.

Моделирование производилось для двух типов кремниевых наночастиц: одни были изготовлены в воде, а другие в этаноле. Метод изготовления кремниевых наночастиц называется лазерной абляцией – это процесс удаления вещества с поверхности облучаемой мишени. В качестве мишени использовались предварительно изготовленные кремниевые нанонити. В таких нанонитях атомы кремния слабо связаны друг с другом, а значит лазеру проще «выбивать» кремний с их поверхности. Вдобавок у таких нитей невысокая теплопроводность: всё это позволяет получать нужное количество наночастиц быстрее и в бóльших объемах, чем если бы абляции подвергался кристаллический кремний.

«Ранее нами были экспериментально получены 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 суспензии наночастиц и поглощают лучше, и рассеивают лучше, а этанольные напротив: хуже поглощают и хуже рассеивают. В результате моделирования оказалось, что для нашей задачи больше подходят 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 Игоревна Соколовская.

Полученные результаты являются необходимым шагом перед проведением реальных экспериментов как на тканевых фантомах, 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.

рис. 1: Карты поглощения энергии падающего энергии лазерного излучения в модельном объекте для (a) опухоли без наночастиц, (b-e) опухоли с наночастицами.

рис. 2: Схема многослойной модели кожи человека опухолью, использованная в моделировании.

Исследование опубликовано в журнале Photonics.

Название статьи: «Numerical Simulation of Enhancement of Superficial Tumor Laser Hyperthermia with Silicon Nanoparticles».

Физический факультет МГУ, кафедра общей физики и молекулярной электроники.

Подготовлено Медиацентром физического факультета МГУ.