Создан нанолазер для диагностики и предотвращения метастазирования меланомы
Американские ученые создали устройство на основе лазера, способное с высокой точностью выявлять циркулирующие в крови раковые клетки и тут же их уничтожать. Если дальнейшие испытания подтвердят его эффективность, в руках онкологов окажется уникальный инструмент для неинвазивной диагностики рака и предотвращения его распространения по организму. Его применение позволит спасти десятки тысяч жизней.
Практические все виды злокачественных новообразований имеют склонность к метастазированию. Этим термином называют процесс, в ходе которого раковые клетки отделяются от первичной опухоли и формируют вторичные очаги – метастазы – в других частях тела. Он становится возможным благодаря природной способности злокачественных клеток приобретать свойства других типов клеток. Эта «пластичность» и позволяет им превращаться из закрепленных в общей опухолевой массе клеток в свободные, которые могут перемещаться внутри организма и вторгаться в другие ткани.
Как правило, появление вторичных опухолевых очагов указывает на то, что болезнь достигла опасной III или IV стадии и теперь несет еще большую угрозу для жизни. На сегодняшний день именно метастазы являются главной причиной смерти от рака – от них гибнет почти 90% онкологических пациентов. Поэтому ученые по всему миру не оставляют попыток найти способ уничтожать блуждающие раковые клетки до того, как те смогут осесть в других органах и сформировать там новые опухолевые очаги.
Ученые из университета Арканзаса максимально приблизились к решению этой задачи. Они разработали нанолазерное устройство для выявления циркулирующих в крови злокачественных клеток и их уничтожения. В основе работы экспериментального прибора, получившего рабочее название цитофон (cytophone), лежит хорошо известный фотоакустический эффект, суть которого в следующем. Когда импульс света определенной длины попадает на материал, последний нагревается и незначительно расширяется – в результате возникают звуковые колебания, которые можно обнаружить.
Наилучшим образом, отмечают ученые, этот механизм реализуется на примере меланомы – самой агрессивной разновидности рака кожи. Новое устройство воздействует на кровь световыми импульсами через поверхность кожи. Здоровые клетки вбирают эту энергию в минимальном количестве, а вот клетки меланомы – благодаря присутствующему в них пигменту меланину – поглощают световые волны гораздо активнее. Под действием тепла они расширяются, создавая звуковые колебания, которые улавливает специальный ультразвуковой преобразователь.
Дальше в работу включается программное обеспечение, которое благодаря специально разработанным алгоритмам молниеносно обрабатывает поступающие с преобразователя сигналы и уведомляет специалиста об обнаружении в кровотоке раковых клеток.
Первые испытания
Недавно состоялся первый этап клинических испытаний новой технологии на людях. Для участия в нем были зарегистрированы 28 человек, проходящих или уже прошедших лечение от меланомы, и 19 здоровых добровольцев. В результате цитофон сумел обнаружить циркулирующие опухолевые клетки в крови 27 из 28 участников экспериментальной группы, потратив на это от одной до шестидесяти минут. В контрольной группе устройство не обнаружило присутствия рака, пройдя таким образом проверку на ложное срабатывание.
Исследователей поразило то, что новая технология оказалась способной распознавать и улавливать злокачественные клетки даже тогда, когда меланома не была видна на коже – либо из-за того, что еще не проявила себя внешними признаками, либо потому, что к тому времени уже была удалена хирургическим путем.
Но еще больше ученых удивил другой факт. Несмотря на что, проведенные испытания имели целью протестировать диагностические возможности цитофона, он также показал способность эффективно уничтожать блуждающие в крови опухолевые клетки сразу после их обнаружения. «Когда меланин поглощает тепловую энергию, выделяющуюся вследствие воздействия лазером, вода вокруг него внутри клетки, нагреваясь, начинает испаряться. Образуются пузыри пара, которые, расширяясь и лопаясь, механически повреждают раковую клетку, что приводит к ее гибели», – поясняют ученые.
При этом они подчеркивают, что у шести участников «меланомной» группы устройство уничтожило большую часть, а у одного – почти 100% обнаруженных раковых клеток. Никаких побочных реакций в ходе испытаний зафиксировано не было, здоровые клетки крови после воздействия нанолазером оставались невредимыми. Связано это с тем, что лазерный свет рассеивается на поверхности кожи, а значит, недостаточно сфокусирован на отдельных клетках, чтобы повредить их.
Ученые подчеркивают, что использовали цитофон в маломощном режиме. Но даже с низкими уровнями энергии нанолазер оказался способным уничтожать большое количество раковых клеток. Соответственно, в дальнейших испытаниях, в которых планируется использовать более высокие мощности, прибор может показать еще большую эффективность.
«Наша технология обладает огромным потенциалом в предотвращении метастазирования рака, – говорят исследователи. – В ее лице врачи смогут получить быстрый, высокоточный, неинвазивный метод выявления циркулирующих в крови опухолевых клеток и их уничтожения до того, как они смогут сформировать новые раковые очаги». Кроме того, устройство можно будет использовать для отслеживания динамики и оценки эффективности проводимого лечения: если концентрация единичных злокачественных клеток в крови будет снижаться, значит, терапия дает результат.
Феноменальная точность
Автор технологии рассказывает, что придумал ее еще десять лет назад. Все это время он проверял безопасность устройства в доклинических исследованиях на животных, и только затем обратился в американское Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов за разрешением начать испытания на людях.
На сегодняшний день цитофон является единственным неинвазивным способом обнаружения циркулирующих в крови опухолевых клеток. Его преимущества перед другими аналогичными технологиями очевидны. Прежде всего, это феноменально высокая точность диагностики. Все похожие системы предусматривают забор образца крови пациента и его последующий анализ в лаборатории. Учитывая, что кровь обычно берется объемом около 8 мл, при небольшой концентрации раковых клеток анализ их просто не покажет. Новое же устройство способно обнаруживать одну патологическую клетку в литре крови, причем не в лабораторных условиях, а непосредственно сканируя кровоток.
В настоящее время создатели готовятся к очередному этапу испытаний, в котором будет задействовано гораздо большее количество участников. На этот раз ученые планируют сконцентрироваться на лечебных способностях цитофона, а также оценить его совместимость с другими методами, использующимися для борьбы с метастазами. Они предполагают, что использование нанолазера позволит усилить действие противоопухолевых препаратов, применяемых при лечении меланомы.
В будущем разработчики намерены расширить возможности устройства, чтобы оно могло распознавать и убивать циркулирующие клетки не только меланомы, но и других видов рака. Учитывая, что они не содержат меланина, исследователям, вероятно, придется использовать особые маркеры – например, наночастицы золота, – которые, подобно меланину, будут вызывать нагревание опухолевых клеток.
