Образование в зоне злокачественной опухоли многочастичных анизотропных агрегатов, состоящих из наночастиц магнетита, возможно даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Агрегаты наночастиц магнетита в сочетании с наночастицами золота могут избирательно связываться с механорецепторами (специфическими трансмембранными белками) на мембранах злокачественных клеток с помощью аптамеров (синтетических нуклеотидов).
«Рост агрегатов магнитных наночастиц сопровождается увеличением суммарного магнитного момента агрегатов и силы механического воздействия на клеточные механорецепторы. Такое усиленное взаимодействие может способствовать запрограммированной гибели злокачественных клеток (апоптозу) при воздействии переменного магнитного поля. Представленный анализ позволяет объяснить экспериментальные результаты магнитомеханической терапии с использованием наночастиц магнетита и золота, которая эффективно подавляет карциному Эрлиха in vivo и in vitro в переменном магнитном поле», — рассказала научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Полина Власова.
На основании имеющихся в литературе сценариев индуцирования апоптоза в злокачественных клетках с помощью магнитомеханической терапии и успешного подавления деления злокачественных клеток в исследовании, учёные СФУ высказали ряд предположений.
«Во-первых, активация клеточных механорецепторов, которые могут запускать апоптоз при достижении критического порога силы, указанного в литературе в соответствующих экспериментах, не может быть достигнута с отдельными суперпарамагнитными наночастицами магнетита. Во-вторых, используя метод броуновской динамики с реалистичными парными потенциалами, мы показали, что частицы магнетита могут анизотропно агрегировать даже в отсутствие внешнего магнитного поля, сохраняя магнитные моменты за счёт постепенного подавления тепловых флуктуаций в частицах при росте агрегата и увеличения дальнодействующего диполь-дипольного взаимодействия. Такие агрегаты могут образовываться на поверхности золотых наночастиц, избирательно связанных с мембранами злокачественных клеток», — пояснил ведущий научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Сергей Карпов.
Агрегация магнитоупорядоченных наночастиц магнетита сопровождается важными эффектами, которые составляют основу магнитомеханической терапии, а также обеспечивают её эффективность.
«Тепловые флуктуации магнитных моментов в отдельных суперпарамагнитных наночастицах размером менее 15 нанометров эффективно подавляются. Важно, что стабильный магнитный дипольный момент сохраняется в частицах магнетита, размер которых составляет не менее 20−25 нанометров. Общий магнитный момент формирующегося агрегата увеличивается, что приводит к росту силы, действующей на трансмембранные белки злокачественной клетки, превышающей критический порог запуска апоптоза. Кроме того, взаимодействие магнитных моментов наночастиц в условиях ориентационного упорядочения порождает коллективное магнитное поле. Это коллективное поле заметно повышает барьер перемагничивания для небольших суперпарамагнитных магнетитовых наночастиц, что позволяет подавлять тепловые флуктуации и стабилизировать магнитный момент внутри агрегатов наночастиц. Следовательно, это усиливает механическое воздействие магнитных частиц на клеточную мембрану», — подчеркнул ведущий научный сотрудник и директор Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Сергей Полютов.
Магнитная нанотераностика, включающая в себя наряду с диагностикой также и лечение злокачественных новообразований при помощи магнитных наночастиц, обладает рядом преимуществ по сравнению с методами лазерной фотодинамической терапии, а также химическим и радиационным воздействием на организм.
По мнению исследователей, результаты работы могут использоваться для улучшения протоколов комплексного лечения злокачественных новообразований за счёт более щадящей и малоинвазивной магнитомеханической терапии в негреющих переменных магнитных полях.