14.616.21.0064

Создание новых перспективных термо-агентов наряду с усовершенствованием техники мониторинга и обеспечения требуемой температуры в глубоких слоях биоткани:
Разработка композитных наночастиц (НЧ) на основе неорганических кристаллических фосфатных НЧ, допированных плазмонными НЧ и редкоземельными ионами Dy3+ и Nd3+ для фотогипертермии с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева наночастиц по их спектральным характеристикам.
Изготовление макета комплекса оборудования для проведения фотогипертермии опухолей, локализованных в глубоких слоях биотканей, с использованием разрабатываемых композитных НЧ с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева НЧ.

Наиболее распространенные и эффективные современные методы для лечения рака включают хирургию, химиотерапию и абляцию. Хирургическое лечение может быть эффективным, если опухоль локализована и функционирует, что во многом зависит от типа рака и стадии его развития. На сегодняшний день известно несколько вариантов метода гипертермии, в том числе прямых локализованных или нелокализованных с нагревом посредством тепловых контуров, использование радиочастотных волн для нагрева тканей, использование оптических и тепловых датчиков, вставляемых в опухоли и т.д.
До сих пор метод локальной лазерной гипертермии так и не был внедрен в клиническую практику из-за сложности контроля равномерного объемного прогрева опухоли, нехватки технического решения, позволяющего проводить процедуру гипертермии автоматически без сложных расчетов температурных полей и привлечения сопровождения высококвалифицированного технического персонала. Настоящий проект объединяет достижения наших разработок в спектроскопии редкоземельных ионов, клинической визуализации и имиджинга и мировые наработки в области нанотехнологии.

Теоретическое обоснование

- Выбор фосфатных матриц исходя из большой интенсивности люминесценции для электронного перехода Nd^3+ 4F_3/2→⁴I_9/2, ⁴F_5/2→⁴I_9/2 и большого сечения поглощения для электронного перехода Dy^3+ 6F_5/2→⁶H_15/2 с одной стороны и относительной биоинертностью с другой.

- Рассчитана кинетика релаксации температуры и теплового потока сферической НЧ при воздействии лазерного излучения с произвольной зависимостью накачки от времени. При постоянной плотности мощности накачки кинетика релаксации температуры и теплового потока имеют экспоненциальный вид, с характерными временами релаксации, определяющимися теплопроводностью, теплоемкостью, радиусом НЧ и теплоотдачей на границе. Для ансамбля НЧ широкое распределение по размерам НЧ приводит к замедлению кинетики диссипации. На начальном участке происходит быстрое остывание частиц с малым радиусом, на заключительном интервале нагретыми остаются только самые большие частицы.

- Теоретическое моделирование по определению оптимальной концентрации допирующих ионов активаторов Dy³⁺ на одну НЧ с целью эффективной фотогипертермии и Nd³⁺ с целью флуоресцентной диагностики в сильно рассеивающих средах с учетом пространственной ограниченности НЧ.

- Теоретическое моделирование условий эффективного определения температуры нагрева НЧ по спектральным данным, установлены закономерности распространения возбуждающего излучения 810 нм и флуоресцентного сигнала в тканях. Установлено, что глубина зондирования имеет степенную зависимость от расстояния между волокнами. При увеличении расстояния между волокнами от 1 до 4 мм наблюдается резкое увеличение глубины зондирования, при расстояниях более 4 мм увеличение глубины незначительно. Исходя из требований к мощности, необходимой для возбуждения люминесценции Nd³⁺ - 0.5 Вт/см², оптимальным расстояние между волокнами является 3 мм. Использование такой конфигурации позволяет обеспечить глубину зондирования флуоресцентным излучением до 5 мм.

- Теоретическое моделирование параметров возбуждающего излучения для эффективной гипертермии в толще биоткани с использованием разрабатываемых композитных НЧ. Установлено, что при облучении непрерывным лазерным облучением 810 нм без использования охлаждения уже при плотности мощности 1 Вт/см² наблюдается перегрев поверхности (Т=50˚С). Решением проблемы перегрева поверхности служит использование охлаждающего устройства. Был смоделирован нагрев в зависимости от плотности мощности лазерного излучения при для различных температурах охлаждения кулера. При плотности мощности 3 Вт/см² охлаждения кулера до 10˚С уже достаточно, чтобы избежать перегрева. При использовании плотности мощности 5 Вт/см² даже низкая температура кулера (Т_кулера=0˚С) не помогает избежать перегрева. Таким образом, установлен рабочий диапазон для терапевтического облучения - 0.5÷3 Вт/см² при условии использования охлаждения поверхности.

Экспериментальное моделирование

- Измерение оптических характеристик синтезируемых композитных НЧ.

- Процесс гипертермии с использованием разрабатываемого лазера и композитных НЧ. Исследовался нагрев водных коллоидов НЧ с золотым ядром разной формы, покрытых оболочкой DyPO₄ - Au-нанозвездочки@DyPO₄, Au-нанопалочки@DyPO₄, так же исследовались композитные НЧ, состоящие из ядра LaF₃:Nd(1%), покрытого разной толщиной оболочки DyPO₄ - LaF₃:Nd(1%)@DyPO₄.

Установлено, что кинетика нагрева коллоида разрабатываемых НЧ имеет форму, близкую к линейной функции. НЧ, содержащие золотое ядро, имеют более высокий коэффициент нагрева, чем композитные НЧ с ядром из кристаллической матрицы, допированной Nd³⁺. Нагрев композитных НЧ с золотым ядром при возбуждении в полосу перехода ⁶H_15/2 - ⁶F_5/2 Dy³⁺ почти в 1.5 раза выше, чем на длине волны 850 нм. Нагрев НЧ Au-нанопалочки@DyPO₄ до 4.5 раза выше при облучении лазером в непрерывном режиме и более чем в 2 раза выше при облучении импульсным фемтосекундным квази-непрерывным лазером, чем для НЧ Au-нанозвездочки@DyPO₄.

- Оптимизация методики регистрации локального изменения температуры в микроокружении композитной НЧ при нагреве независимыми методами - люминесцентным кинетическим и спектральным.

- Флуоресцентная диагностика с использованием разрабатываемой аппаратуры и композитных НЧ.

- Получение зависимостей увеличения температуры наночастиц и окружающей среды от длины волны и мощности возбуждающего лазерного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне.

В результате теоретического моделирования получены параметры нанокомпозитов, обладающих плазмонным резонансом для усиления поглощения энергии в ближнем инфракрасном диапазоне ионами Dy³⁺ и Nd³⁺ на 810 нм:

тип "золотой наноэллипсоид в оболочке из YPO₄,": размеры ядра - a = 6 нм, b = 24 нм, c = 6 нм, толщина оболочки - d = 13 нм;

тип "золотой нанодиск в оболочке из YPO₄,": размеры ядра - a = b = 45 нм, с = 4 нм, толщина оболочки - d = 13 нм;

тип "ядро YPO₄ в золотой оболочке": размеры ядра - a = b = с = 40-50 нм, толщина оболочки - d = 5.2-6.5 нм. Для данной геометрии и состава нанокомпозитов действует правило: чем меньше толщина золотой оболочки, тем более в красную область сдвигается резонансная длина волны.

Экспериментально оценено, что характерное время воздействия на НЧ ксенотима размером 100-200 нм должно составлять сотни пикосекунд с энергией в импульсе, зависящей от решаемой медицинской задачи.

Изготовлен макет лазера ближнего инфракрасного диапазона на основе полупроводникового лазерного диода с длиной волны 810 нм с максимальной мощностью 8 Вт, с диапазоном регулирования мощности излучения 0.2 - 8 Вт, диапазоном регулирования времени излучения 1 - 60 минут, с выходным оптическим разъемом типа SMA-905, оснащенный устройством обратной связи для оптимизации сеанса гипертермии. Импульсный режима работы диодного лазера реализуется при использовании оптического прерывателя в диапазоне 100 µс-1с, в диапазоне характерных времен жизни люминесценции Nd3+, по которым планируется определять локальную температуру нагрева ближайшего окружения НЧ.

Изготовлен макет видео-системы, регистрирующей спектральное люминесцентное изображение разрабатываемых композитных НЧ в ближнем инфракрасном диапазоне. Макет видеосистемы состоит из модуля регистрации изображений, источника лазерного излучения, источника широкополосного излучения, блока обработки изображений и системы светофильтров.

Изготовлен макет волоконно-оптического устройства, сопряженного со спектроанализатором, позволяющего регистрировать диффузно-рассеянное излучение с заданной глубины биоткани, в том числе, содержащей разрабатываемые наночастицы.

Разработана методика синтеза НЧ с покрыванием полученных НЧ слоем кристаллического фосфата диспрозия при помощи гидротермально-микроволновой обработки водного коллоида полученных наночастиц в присутствии осадителя (K₂HPO₄) и цитратного комплекса иона Dy³⁺. Исследована морфология и UV-Vis спектры пропускания полученных коллоидных нанокомпозитов.

Оптимизирована методика гидротермально-микроволнового синтеза хорошо закристаллизованных наночастиц легированных фосфатов РЗЭ.

Получены НЧ «металлическое ядро/ оболочка из кристаллических фосфатов РЗЭ, допированных Dy³⁺, Nd³⁺», методом синтеза со-осаждения в водных растворах с последующей гидротермальномикроволновой обработкой. При использовании наностержней золота удается получить композитные наночастицы, в которых DyPO₄ покрывает наностержни золота. При этом полоса поглощения наностержней золота после покрывания остается в области первого окна прозрачности биологических тканей, что необходимо для дальнейшего применения полученных нанокомпозитов при гипертермии раковых опухолей.

Ключевые прогнозируемые конкурентные преимущества продукта состоят в комплексном подходе прецизионной управляемой лазерной гипертермии, минимизирующем риск недостаточного воздействия и перегрева в объеме новообразования, и, соответственно, продолженного злокачественного роста и некротических повреждений. Подобный подход обеспечивает надежность метода лазерной гипертермии, являющегося дешевой альтернативой протонной терапии. Кроме того, метод локальной лазерной гипертермии в ближнем инфракрасном диапазоне, позволит занять нишу терапии новообразований с локализациями, сложными для хирургического иссечения и недоступными для фотодинамической терапии (ФДТ) вследствие глубокого залегания в толще ткани, например, подкожных метастазах рака молочной железы, метастазах в печень. Потенциальные потребители продукта проекта - государственные и частные больницы, онкологические центры. Таким образом, структурные сдвиги в отрасли или значительные изменения в используемых технологиях, так же как и себестоимость процессов благодаря разрабатываемой инновации предполагаются за счет повышение качества услуг онкослужбы РФ.