Теория «коллективного поведения» наночастиц поможет лечить рак

Ученые из Уральского федерального университета и Эдинбургского университета построили модель динамического отклика магнитных наночастиц на воздействия внешним источником приложенного магнитного поля. Результаты исследования можно использовать для более эффективного лечения онкологических заболеваний.

В современных медицинских технологиях активно применяются магнитные наночастицы, которые в сто раз меньше самого тонкого человеческого волоса. Воздействуя на такие частицы внешним магнитным полем, можно транспортировать лекарства к определенному участку организма. Если поместить такие частицы в специальное вещество, рентген даст более контрастную и яркую картину ткани, пораженной опухолью, сообщает пресс-служба УрФУ.

При нагреве раковые клетки гибнут чуть раньше, чем здоровые. Одновременно с этим усиливается действие лекарственных препаратов. Поэтому локальный нагрев опухоли в сочетании с химиотерапией может дать мощный лечебный эффект. В этом процессе участвуют магнитные наночастицы: под действием магнитного поля они вращаются, обеспечивая нагрев.

141710

Ученые называют такой метод магнитной гипертермией, а реакцию наночастиц — динамическим откликом. Интенсивность отклика зависит от разных факторов: мощности излучателя магнитного поля, частоты его вращения, размеров наночастиц, сцеплений их друг с другом и так далее.

Именно этот эффект с помощью компьютерного моделирования исследовали ученые из России и Шотландии. Работу провели Алексей Иванов из УрФУ и Филип Кэмп из Эдинбургского университета. Российский ученый отвечал за теоретическое обоснование эксперимента, а шотландский — за проведение эксперимента на суперкомпьютере.

«Компьютерное моделирование, во-первых, дешевле, чем лабораторные исследования, во-вторых, известны все параметры каждой частицы и все воздействующие факторы, — объяснил Алексей Иванов. — В естественных условиях всегда имеются факторы, не до конца известные и не вполне контролируемые».

Раньше ученые полагали, что «коллективное поведение» частиц описывается суммой реакций каждой из частиц, сложенных в «ансамбль». Компьютерное моделирование показало, что это неверное представление: на самом деле, частицы постоянно взаимодействуют, влияют друг на друга и их «коллективное поведение» дает особый эффект и не сводится к сумме «индивидуальных» реакций.

142473

При определенной частоте переменного магнитного поля происходит резонанс — максимальный отклик наночастиц, максимальное поглощение энергии ими и, следовательно, максимальное нагревание.

«В результате компьютерного эксперимента мы выявили два таких максимума — для больших и малых частиц, для сред с преобладанием первых и вторых, — отметил Алексей Иванов. — Выяснилось, что, если описывать процессы классическими формулами, не учитывающими взаимодействия частиц, мы получим обратные максимумы по отношению к тем, что выявлены нами на компьютерной модели, максимально приближенной к реальным условиям. Другими словами, если бы мы применили эти формулы при расчете периода и интенсивности локального нагрева опухоли, то дали бы противоположный прогноз и необходимого наилучшего эффекта не получили. Наша модель показывает, что в сравнении с классической формулой максимумы нагрева должны быть на порядок меньше, а получаемый при этом эффект — в два раза больше. Говоря проще, нагревать пораженный участок нужно, к примеру, не 10, а только 5 минут».

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Е. Сейчас ученые готовят заявку на финансирование следующей серии экспериментов, чтобы в лабораторной практике подтвердить верность теории.