Исследователи КФУ разработали основу для нового метода лечения рака с помощью фотонагрева

Ученые Казанского федерального университета (КФУ) описали механизм, благодаря которому электронный свет приводит к фотонагреву оптически прозрачных наноматериалов. Это открытие создает новые возможности для диагностики и терапии онкологических заболеваний.

Авторы выяснили, что оптически прозрачные гетерогенные системы могут захватывать свет за счет рассеяния, а не за счет поглощения.

«Термин «электронный свет» описывает фотоны, которые испытывают неупругое рассеяние на электронных состояниях. Этот эффект проявляется в рамановских спектрах пространственно-ограниченных гетерогенных сред, таких как аморфные и пористые материалы, высокоэнтропийные кристаллы, пены, гели, полимеры, клетки и т.д. в виде бесструктурного широкополосного фона, известного как электронное рассеяние света (ЭРС)», — рассказал один из авторов исследования, заведующий кафедрой оптики и нанофотоники Института физики КФУ, профессор Сергей Харинцев.

По словам профессора, долгие годы физическая природа этого фона оставалась неясной, из-за чего исследователи просто вычитали его из спектров, чтобы улучшить соотношение сигнал-шум для молекулярных линий. Однако ранее группа профессора Харинцева установила, что взаимодействие света с пространственно-ограниченными средами обеспечивает изменение импульса электронов, аналогично тому, как фононы передают импульс электронам в объемных кристаллах.

В данном исследовании ученые КФУ объяснили, как электронный свет вызывает фотонагрев прозрачных наноматериалов. Выяснилось, что оптически прозрачная среда начинает нагреваться, как только становится гетерогенной.

«Это раскрывает ранее неизвестный механизм оптического нагрева сред, которые не поглощают свет. Наше открытие заставляет пересмотреть устоявшиеся терапевтические методы — фототермическую и фотодинамическую терапию. Традиционно в них используются светопоглощающие агенты: фотосенсибилизаторы, органические красители, металлические нанооболочки, которые адресно доставляются в опухолевые ткани, чтобы преобразовать свет в тепло или химическую энергию для уничтожения раковых клеток. Наш подход позволяет напрямую использовать свет в живых системах в терапевтических целях», — продолжил ученый.

Предыдущие попытки использовать свет для лечения опухолевых заболеваний опирались на резонансное поглощение сверхмощного лазерного излучения, повреждающего и больные, и здоровые ткани, поэтому метод не получил широкого распространения. Кроме того, стандартные подходы фототермической терапии не позволяют диагностировать раковые клетки. Новый подход, названный стратегией «без агентов», дает возможность целенаправленно воздействовать на опухоль, не затрагивая здоровые ткани, превращая фототермическую терапию в мощный неинвазивный инструмент, а также потенциально диагностировать раковые клетки.

«Падающее излучение с заданной длины волны «не замечает» здоровые клетки в широком спектральном диапазоне, но при этом селективно уничтожает раковые клетки благодаря ЭРС. Мы показали, что оптически прозрачная микроэмульсия может нагреваться на несколько десятков градусов при интенсивности освещения порядка 1 кВт/см². Такое необычное поведение мы объяснили изгибом энергетических зон, при котором электронное рассеяние света доминирует над поглощением. Таким образом, подбирая длину волны возбуждения и мощность накачки, можно адресно воздействовать на опухоль, направляя нерезонансный свет непосредственно на злокачественную ткань», — объяснила первый автор статьи, инженер кафедры оптики и нанофотоники Института физики КФУ Элина Батталова.

Исследователи отмечают, что пока результаты получены на модельной химической системе, но в дальнейшем они могут быть применены к живым организмам, что расширяет горизонты применения термооптических технологий в медицине. Стратегия, основанная на фотонагреве прозрачных неоднородных сред через рассеяние, а не поглощения света, открывает путь к неинвазивной, высокоточной абляции сложных по структуре опухолей, при полном сохранении окружающих здоровых тканей.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации