Концентрирование ультразвуковой энергии на наночастицах: медицинский аспект

Метод ультразвуковой нанотерапии злокачественных опухолей. Воздействие ультразвука на опухоль, содержащую агрегаты наночастиц. Действие ультразвука на биополимерные системы, модифицированные агрегатами наночастиц. Динамика накопления массы модификатора.

Рубрика Медицина
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 13.11.2018
Размер файла 562,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Концентрирование ультразвуковой энергии на наночастицах: медицинский аспект

А.Л. Николаев1

А.В. Гопин1

В.Е. Божевольнов1

Н.В. Дежкунов2

1Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

2Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Развиваемое авторами направление относится к области ультразвуковой наномедицины. Условно к этой области можно отнести те работы, в которых исследуется взаимодействие ультразвука и малых частиц (мицеллы, липосомы, наноэмульсии, пузырьки, нанокапсулы) вне зависимости от их природы. Размер этих частиц находится в интервале от 10-9-10-6 м. Основной областью практического приложения ультразвуковой наномедицины является терапия онкологических заболеваний.

Метод ультразвуковой нанотерапии злокачественных опухолей, развиваемый нами, отличается от описанных в литературе двумя положениями:

– наночастицы и их агрегаты образуются непосредственно в опухоли из нетоксичного и нелекарственного вещества, введенного в кровоток в виде раствора;

– воздействие ультразвука на опухоль, содержащую агрегаты наночастиц, приводит к эффектам, приводящим к торможению ее роста, а в некоторых случаях к полной ее ремиссии.

Образования наночастиц и их агрегатов непосредственно в опухоли обеспечивается биохимическими особенностями ее роста, совокупность признаков которого носит название атипизма.

В результате метаболического атипизма физико-химические условия в опухоли (пониженное значение pH, повышенное содержание ионов кальция в межклеточной жидкости, монотонность липидной структуры мембран) отличаются от условий в нормальных окружающих опухоль тканей. Эти отличия обуславливают возможность образования твердой фазы преимущественно в опухоли. Твердая фаза выделяется в опухоли после внутривенного введения растворов соединений, кальциевые соли или кислые формы которых в условиях опухоли нерастворимы. Таким образом, можно добиться избирательности образования наночастиц и их агрегатов преимущественно в опухоли, используя наименее специфичные, а, следовательно, наиболее устойчивые проявления ее атипизма.

Эффект при действии ультразвука на биополимерные системы, модифицированные агрегатами наночастиц, достигается за счет дополнительного выделения акустической энергии в участках, в которых эти агрегаты локализованы. Это происходит благодаря тому, что агрегаты, отличаясь физико-химическими свойствами от биополимерных структур, существенно меняют отклик системы на ультразвуковое воздействие [1]. Они локально изменяют коэффициент поглощения ультразвука, являясь своеобразными преобразователями акустической энергии. При этом включения обеспечивают локализацию акустической энергии в объеме, размер которого определяется главным образом размерами агрегатов и может быть существенно меньше масштаба длины волны ультразвука. Если местами локализации агрегатов являются опухолевые клетки, то дополнительное выделение в этих местах акустической энергии способно обеспечить гибель опухоли или замедлить ее рост.

Для успешного применения разрабатываемого метода, необходима постановка модельных экспериментов, направленных на выявление закономерностей, связывающих природу и размер твердофазных соносенсибилизаторов (ТФС), их массовую долю, условия образования в полимерной матрице, природу полимерной матрицы, а также режимы ультразвукового воздействия. Проблемы, которых мы, так или иначе, касаемся в данной работе, можно разделить на три группы:

– выявление влияния полимерной матрицы и условий синтеза на локализацию и морфологию твердофазных модификаторов;

– оценка тепловых и возможных кавитационных эффектов акустического поля в модифицированных гелевых системах;

– определение оптимальных режимов ультразвукового воздействия.

Работы проводились на модельных гелевых системах, имитирующих опухолевую ткань. В качестве гелей использовали гели полиакриламида и агарозы. Их синтезировали по методикам, описанным в работах [2, 3], используя дегазированную воду. Они удобны для предварительных оценок распределения температуры в опухоли в акустических полях различных частот и интенсивностей в присутствии и в отсутствии твердофазных включений, а также для оценки вклада кавитационных процессов в деструкцию полимерной матрицы и разработки методологии синтеза ТФС.

Твердофазными соносенсибилизаторами служили гидроксид железа, кальциевая соль терафтала (октанатриевая соль окта-4,5-карбоксифталоцианина кобальта), сульфат бария, силикагель и гидрофобизованый силикагель.

Синтез образцов, содержащих ТФС, проводили методом встречной диффузии реагентов, образующих при взаимодействии малорастворимое соединение в предварительно синтезированном геле. Метод встречной диффузии реагентов моделирует образование ТФС в условиях метаболического атипизма опухолевой ткани и удобен для исследования процессов, определяемых их взаимодействием с полимерной матрицей (синтез, тепловые и кавитационные эффекты).

Нами разработана математическая модель, описывающая динамику накопления массы модификатора в пористой матрице в условиях относительно близких к фазообразованию in vivo, т.е. в ситуации постоянства концентрации одного компонента в опухоли (A) и убывающей во времени по экспоненциальному закону концентрации другого компонента, введенного в кровоток (B). Схема, описывающее образование твердого модификатора выглядит следующим образом:

где индекс S относится к твердой фазе, k1, k2 - константы скорости прямой и обратной гомогенной реакции, ?0, ?1 - константы нуклеации и роста твердой фазы.

Расчеты, при наличии соответствующей базы данных, дают возможность определить интервал времени, в котором ультразвуковое воздействие на опухоль в данных условиях будет наиболее эффективным.

Анализ экспериментальных данных, относящихся к образцам, полученным встречной диффузией реагентов, показал, что конечную структуру гелей практически во всех случаях определяет взаимодействие полимерной матрицы и ТФС.

На рис. 1 представлены электронно-микроскопические снимки полиакриламидного геля, содержащего кальциевую соль терафтала и гидроксид железа, синтезированные методом встречной диффузии. В случае 1,а) агрегированная фаза соли терафтала локализована на нитях матрицы носителя, элементы которых, по-видимому, являются центрами зарождения твердой фазы модификатора. На фотографии 1,б) структурно различимые фазы включений не видны, что может свидетельствовать о высокой дисперсности и равномерном распределении кристаллов гидроксида железа по нитям матрицы. Это подтверждает исследование образцов гелей полиакриламида, модифицированных гидроксидом железа, методом мессбауэровской спектроскопии, которое показало, что химическая природа матрицы и условия синтеза также вносят существенный вклад в формирование рельефов поверхности и распределение по размерам ТФС. Картина аналогичная распределению терафтала наблюдается и для случая, когда модификатором являлся сульфат бария. Полученные данные свидетельствуют о наличии, по крайней мере, двух типов локализации, кристаллизующейся в гидрогелях твердой фазы. Вероятность реализации каждого из них определяется природой ТФС и полимерной матрицы. Наличие двух типов локализации позволяет предположить, что акустические эффекты в таких системах могут существенно различаться.

ультразвуковой нанотерапия опухоль злокачественный

а) б)

Рис. 1. Электронные микрофотографии полиакриламидного геля, модифицированного методом встречной диффузии: а) кальциевой солью терафтала; б) гидроксидом железа

На рис. 2 приведены типичные кривые динамики роста температуры образцов с различным характером распределения ТФС в гелевых матрицах агарозы, содержащих гидроксид железа и сульфат бария.

В среднем величины поглощенной мощности для образцов с сульфатом бария в 1.5-2 раза выше, чем для образцов с гидроксидом железа (III). При этом следует отметить, что для последних наблюдается даже некоторое уменьшение поглощения ультразвука. Это может быть связано с изменением механических характеристик сетки матрицы, которая в случае этих образцов инкрустируется высокодисперсной твердой фазой гидроксида железа и меняет свои вязкоупругие характеристики.

Полученные данные указывают на важную роль в проявлении акустических тепловых эффектов характера взаимодействия ТФС и матрицы геля, который определяется их химической природой. При этом наибольшим эффектом обладают системы с ТФС, локализованными на отдельных элементах объема матрицы.

Рис. 2. Тепловые эффекты ультразвука в агарозном геле, модифицированном методом встречной диффузии. 1 - гель агарозы (3 масс. %), 2 - гель, модифицированный гидроксидом железа (III) (2 масс. %), 3 - гель, модифицированный сульфатом бария (2 масс. %). Параметры ультразвука: частота 2.64 МГц, интенсивность 2 Вт/см2. Точки - данные измерений с помощью термопары

Другой нашей задачей являлась оценка возможного влияния ТФС на возникновение кавитационных эффектов при воздействии ультразвука с использованными в работе параметрами.

В наших исследованиях мы применяли несфокусированный ультразвук с частотой 0.88 МГц и интенсивностью до 2 Вт/см2. Сравнительную оценку кавитационных свойств гелей, содержащих и не содержащих ТФС, проводили с помощью индикатора кавитации IS-3MS, разработанного в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники. Принцип действия прибора основан на регистрации уровня рассеянного шума в полосе частот от 2 МГц до 10 МГц, принимаемого широкополосным гидрофоном. Излучатель диаметром 2 см находился в непосредственном контакте с торцом цилиндрического гелевого образца (диаметр 2.5 см, высота 2 см), т.е. измерения проводились в ближнем поле преобразователя. Гидрофон с диаметром чувствительного элемента 2 мм располагался в непосредственной близости от боковой поверхности образца.

Для экспериментов использовали агарозный гель (1%) без ТФС и гель, содержащий 1% кальциевой соли терафтала.

Результаты эксперимента показаны на графике (рис. 3), на котором по вертикальной оси отложен регистрируемый индикатором IS-3MS уровень шума, а по горизонтальной - интенсивность ультразвука. Как видно из графика, уровень сигнала, зарегистрированного при интенсивности 2 Вт/см2 в модифицированном образце гидрогеля (U1), существенно (более чем в 4 раза) превышает соответствующую величину в геле без модификатора (U2).

Таким образом, график на рис. 3, если и не дает количественной информации о величине кавитационных порогов в модифицированных и немодифицированных гелях, то, по крайней мере, свидетельствует в пользу того, что условия для возникновения и развития кавитации в модифицированных гелях значительно более благоприятны. Если же исходить из часто встречающегося определения кавитации как явления, под которым понимается любая активность газовых пузырьков как созданных ультразвуком, так и существовавших в среде прежде ультразвукового воздействия, то результаты на рис. 3 можно интерпретировать как данные, характеризующие вероятность возникновения кавитационных явлений в гелях с включениями и без них. Добавим, что возможное повышение концентрации газовых пузырьков в модифицированных гелях может к тому же интенсифицировать тепловые эффекты в подобных средах.

В Российском онкологическом научном центре им. Н.Н. Блохина РАМН в течение ряда лет ведутся доклинические исследования, направленные на изучение экспериментальной возможности использования эффекта твердофазной соносенсибилизации для ультразвуковой терапии онкологических заболеваний [4, 5]. Эксперименты проводятся на животных с разными типами опухолей и при различных схемах терапии и включают в себя оценку терапевтической эффективности, безвредности и влияния на метастазирование. В результате этих исследований была установлена высокая терапевтическая эффективность метода, выражающаяся в регрессии опухоли в среднем на 75-80% с увеличением продолжительности жизни животных до 2 раз, хорошая переносимость воздействия и отсутствие влияния на метастазирование.

Рис. 3. Сравнительная оценка уровня широкополосного шума, зарегистрированного в полосе частот 2-10 МГц при воздействии ультразвуковой частоты 0.88 МГц на модифицированные и немодифицированные образцы агарозного геля в зависимости от интенсивности ультразвука. 1 - немодифицированный гель. 2 - кальциевая соль терафтала

В экспериментах, представленных ниже в качестве примера (рис. 4), использовали мышей линии BDF1 с перевитыми опухолями B16. Твердая фаза кальциевых солей карбоксильных производных фталлоцианина кобальта (терафтал) и цинка (ZnPc) формировалась непосредственно в опухолевых клетках [6].

Эксперименты на животных проводили на специально сконструированной установке при одновременном действии двух частот (0.88 МГц, 1 Вт/см2 + 2.64 МГц, 2 Вт/см2). Температуру в опухоли определяли с помощью термопары (точность 0.2°C).

На рис. 4 представлена динамика роста опухоли в нескольких экспериментальных сериях с использованием в качестве ТФС терафтала и ZnPc. Как видно из рис. 4, время удвоения размеров опухоли в экспериментах с использованием ТФС (?ТФС) увеличивается в 10 раз по сравнению с контрольной группой (?К) и в 5 раз по сравнению с действием одного ультразвука (?УЗ). Это означает, что терапевтическая эффективность действия ультразвука в присутствии ТФС существенно повышается. Аналогичные результаты были получены и на других типах опухолей (карцинома Са 755, РС 1, карцинома Эрлиха, карцинома Льюис). По терапевтической эффективности эти результаты были сопоставимы с результатами лечения по оптимальным химиотерапевтическим схемам.

Анализ результатов показывает, что наночастицы нелекарственных веществ являются эффективными твердофазными соносенсибилизаторами, т.е. «усилителями» противоопухолевого действия ультразвука. Этот метод при благоприятном развитии теоретической, экспериментальной и приборной базы должен дополнить существующие методы терапии онкологических заболеваний.

Рис. 4. Динамика роста опухолей, содержащих ТФС после действия ультразвука (мыши BDF1, опухоль - меланома В16, условия - одновременное действие ультразвука двух частот: 0.88 МГц - 1 Вт/см2, 2.64 МГц - 2 Вт/см2, время воздействия - 10 минут, V0 - объем опухоли к началу ультразвукового воздействия; t - время наблюдения за ростом объема опухоли V после ультразвукового воздействия. 1 - контроль, 2 - УЗ 40°С, 3 - терафтал 30 мг/кг + УЗ 40°С, 4 - ZnPc 12 мг/кг + УЗ 40°С

Литература

1. Кольцова И.С. Распространение ультразвуковых волн в гетерогенных средах. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2007. - 247 C.

2. Николаев А.Л., Гопин А.В., Чичерин Д.С., Божевольнов В.Е., Мелихов И.В. Локализация акустической энергии в гелевых системах на твердофазных неоднородностях // Вестник Московского Университета. Сер. 2. Химия. 2008. T. 49. № 3. C. 203-208.

3. Николаев А.Л., Чичерин Д.С., Синани В.А., Ноа О.В., Мелихов И.В., Платэ Н.А. Управление каталитической активностью трипсина, иммобилизованного в полимерном термочувствительном гидрогеле // ВМС. Сер. А. 2001. Т. 43. № 1. С. 27-32.

4. Андронова Н.В., Трещалина Е.М., Филоненко Д.В., Николаев А.Л., Гопин А.В. Экспериментальные подходы к комбинированной терапии опухолей с использованием сонодинамического ультразвукового воздействия Российский Биотерапевтический Журн. 2004. Т. 3. № 2. С. 12.

5. Андронова Н.В., Трещалина Е.М., Филоненко Д.В., Николаев А.Л. Комбинированная терапия злокачественных опухолей с использованием локального ультразвукового воздействия (экспериментальное исследование) Российский Биотерапевтический Журн. 2005. Т. 4. № 3. С. 101-105.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Применение ультразвука с лечебной целью. Механическое, термическое, физическое воздействие ультразвука. Методы ультразвуковой терапии: контактный, ультрафонофорез, рефлексотерапия, интракорпоральный, эндоскопический. Аппараты для ультразвуковой терапии.

    презентация [638,9 K], добавлен 05.02.2015

  • Способы получения и свойства ультразвука. Изображение внутренних органов человека с помощью ультразвуковых волн. Ультразвуковые генераторы (медицинский, школьный). Свойство отражения ультразвуковой волны в медицинской ультразвуковой диагностике.

    контрольная работа [344,2 K], добавлен 03.02.2011

  • Определение и характеристика ультразвука, его основные источники. Действие ультразвука на биологические объекты. Применение ультразвука в диагностике и терапии. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами. Ультразвуковой свисток Гальтона.

    презентация [7,1 M], добавлен 28.04.2016

  • Сущность ультразвукового метода как принципиально нового способа получения медицинского изображения, его разработка и внедрение в практику. Физические свойства и биологическое действие ультразвука. Преимущества эхографии, ее безопасность, виды датчиков.

    курсовая работа [7,9 M], добавлен 15.06.2013

  • Основные направления ультразвуковой диагностики в онкогинекологии. Классификация миомы матки, ее общие эхографические признаки. Дифференциальная диагностика интерстициальных узлов. Эхографические критерии, позволяющие заподозрить рак яичника и эндометрия.

    презентация [5,4 M], добавлен 25.09.2016

  • Статистические данные заболеваемости остеопорозом. Опорно-двигательный аппарат человека: остеология, классификация костей. Исследование синовиальной жидкости. Артрография и трепанобиопсия. Радионуклидная диагностика. Биологическое действие ультразвука.

    курсовая работа [5,9 M], добавлен 16.12.2012

  • Изучение общих принципов лечения злокачественных опухолей, которое осуществляется различными методами в зависимости от характера опухоли, ее локализации и стадии процесса. Хирургическое вмешательство, электрохирургия, криотерапия и воздействие лазером.

    реферат [35,5 K], добавлен 05.02.2011

  • Изучение механического и физико-химического действия ультразвука на биологические объекты. Описания теплового эффекта, возникающего внутри ткани. Влияние ультразвука на органы и системы. Применение ультразвука в физиотерапии, диагностике, косметологии.

    презентация [1,2 M], добавлен 06.12.2014

  • Эхоэнцефалография как метод ультразвуковой диагностики, основанный на свойстве ультразвука отклоняться на границе раздела сред с различной плотностью. Нейросонография, допплерография и видеомониторинг, их главные преимущества и недостатки, оценка.

    реферат [13,1 K], добавлен 08.03.2011

  • Биологические и физические характеристики ультразвука. Механизмы физиологического и лечебного действия (механический, тепловой и физико-химический факторы). Аппаратура, методика и техника ультразвуковой терапии. Показания и противопоказания к лечению.

    реферат [19,2 K], добавлен 27.04.2009

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.