Проекты

Научные руководители – A.В. Kaбашин, И.Р. Набиев, В.Б. Лощенов.

 

Проект реализуется на базе Международных лабораторий Нано-биоинженерии (Набиев И.Р.) и Бионанофотоники (Кабашин А.В.), а также и кафедр «Медицинская физика», «Компьютерные медицинские системы», «Ядерная медицина», «Лазерные микро- и нано-технологии». Российские партнеры: ФИАН, ИОФ РАН, РМАПО, МГУ им. М.В. Ломоносова, ИБХ им. Шемякина-Овчинникова РАН, ФНЦ микробиологии и эпидемиологии им. Н.Ф. Гамалеи. Международные партнеры: University of Lyon, INSA de Lyon (Франция), SUNY at Buffalo (США); Leibniz Institute of Photonic Technology (Германия); Max-Planck Institute of Experimental Medicine (Германия).

Цель проекта: Разработка прорывных методов диагностики и терапии (тераностики) онкологических заболеваний на основе комплексного использования (1) уникальных наноматериалов, (2) новых методов нанобиоинженерии и бионанофотоники, и (3) передовых нанофотонных, радиочастотных, ядерно-лучевых, магнитных и других технологий.

Научный руководитель: В.Ю. Тимошенко

 

Получены фундаментальные знания по лазерному формированию наночастиц для биофотонных применений и проведены исследования их физических свойств и применений в качестве люминесцентных меток для диагностики рака.

 

Установлено, что нанокристаллы кремния (Si) с размерами 2-5 нм представляют собой перспективные нанообъекты для биомедицинских применений. Предложен новый лазерно-плазменный метод синтеза ультрачистых водно-диспергируемых квантовых точек, которые способны генерировать яркую экситонную фотолюминесценцию с полосой в области прозрачности биотканей (800 нм). В основе метода лежит лазерная абляция из кремниевой мишени в остаточном гелии, приводящая к формированию наноструктурированых кремниевых пленок на субстрате. Затем нанокристаллы такой пленки разбиваются ультразвуком в физиорастворе, что приводит к образованию водного раствора коллоидных наночастиц. Уникальность методики заключается в полном отсутствии токсичных загрязняющих элементов во время синтеза нанокристаллов. Продемонстрировано возможность получения эффективного контраста таких нанокристаллов в живых клетках, используя экситонную фотолюминесцентную полосу. При этом квантовые точки легко проникали в клетку и концентрировались в цитоплазме, не вызывая никаких эффектов токсичности.

 

Впервые продемонстрирована возможность использования нелинейно-оптических свойств относительно больших наночастиц кремния (10-30 нм), а именно генерации второй гармоники и двухфотонной люминесценции, для биоимаджинга раковых клеток. В комбинации со способностью генерировать терапевтические эффекты, подобные нанокристаллы представляют собой уникальные объекта для тераностики рака.

 

Развита методика контроля скорости биорастворения лазерно-синтезированых кремниевых (Si) наночастич за счет изменения толщины верхнего окидного слоя SiOx (подана статья в J. Phys. Chem. C). Впервые исследовано биораспределение лазерно- синтезированных кремниевых частич с нефункционализированной поверхностью в экспериментах с животными in vivo при их системном внутривенном введении. Несмотря на относительно высокую дозу наночастиц (20 mg/ml), вводимых внутривенно в модели мышей, не было выявлено никаких эффектов токсичности. Также было установлено, что наночастицы эффективно биодеградировали в организме и полностью выводились с мочой через несколько дней после их внутривенного введения.

 

Предложена модель разогрева твердотельных наночастиц в водных суспензиях в поле высокочастотного электромагнитного излучения для применения в гипертермии злокачественных опухолей (до конца года подана статья). Было показано, что разогрев коллоидного раствора происходит за счет замыкания токов ионами водного расствора, концентрирующихся вокруг наночастиц при воздействии радиочастотного излучения. Полученные результаты открывают возможности для разработки нового класса сенсибилизаторов радиоизлучения на основе биодеградируемых наночастиц.

 

В исследованиях, проводимых совместно с сотрудниками, аспирантами и студентами физического факультета МГУ в кооперации с учеными ИФИБ, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, НИИ вирусологии им. Д.И. Ивановского РАН, Института иммунологии ФМБА и Института фотонных технологий (Германия, Йена), развиты новые методы получения биосовместимых и биодеградируемых наночастиц на основе кремния и открыты новые возможности их использования в люминесцентной диагностике (биоимаджинг) онкологических заболеваний с последующей терапией с использованием ультразвукового или радиочастотного излучения, а также для борьбы с вирусами иммунодефицита человека (ВИЧ) и респираторным синцитиальным вирусом (РСВ) [2]. Выявленная возможность сочетания одновременной диагностики и терапии с использованием в качестве активных агентов биосовместимых и биодеградируемых наночастиц закладывает основы так называемой “тераностики” рака, являющейся в настоящее время одним из магистральных направлений развития современной медицины. Обнаруженное свойство кремниевых наночастиц связываться с вирусами ВИЧ и РСВ и блокировать их заражающую способность, открывает перспективу разработки новых видов противовирусных препаратов.

Научный руководитель: И.Н. Завестовская

 

Данный проект направлен на разработку лазерно-абляционного метода синтеза люминесцентных наночастиц, а также их применения в качестве меток для биовизуализации клеток. Будет проведен синтез и изучение люминесцентных характеристик частиц кремния, золота, а также гибридных кремний-золотых наночастиц . Также будет проведен сравнительное исследование по возможности использования данных наночастиц в качестве маркеров для люминесцентной и нелинейной микроскопии (микроскопии генерации второй гармоники). Будут получены результаты, показывающие их распределения в клетках различного типа и данные о биодеградации наночастиц in vitro.

 

Цель проекта состоит в следующем.

  1. Разработка технологий получения люминесцентных кремниевых, золотых и гибридных наночастиц методом лазерной абляции в инертном газе.
  2. Биологические испытания полученных наночастиц и определение их цитотоксичности 3. Исследование процессов биодеградации и распределения наночастиц в клетке методами люминесцентной и нелинейной оптической микроскопии.

 

Несмотря на то, что люминесцентные наночастицы (квантовые точки) нашли широкое применение в микроэлектронике и солнечной энергетике, применение подобных наночастиц в медицине крайне ограничено. Основной проблемой, определяющей непригодность большинства хорошо изученных квантовых точек в медицине является токсичность самих наночастиц или продуктов их растворения. Для использования в медицине наиболее перспективными являются квантовые точки на основе практически нерастворимых при физиологических pH материалов (биосовместимые частицы) или наночастицы, дающие при растворении нетоксичные продукты (биодеградируемые частицы). В данной работе будет проведено сравнение возможностей использования частиц двух типов на примере золотых и кремниевых наночастиц. Проект направлен на оптимизацию методов синтеза для получения наночастиц, применимых для использования в качестве контрастных агентов для люминесцентной и нелинейной оптической микроскопии.