Ученые из Екатеринбурга и Эдинбурга создали теорию «коллективного поведения» наночастиц для более эффективного лечения рака

19.12.2018



Если клетки нагреть, раковые погибнут быстрее, чем здоровые. Нагрев обеспечивают магнитные наночастицы, поведение которых, как считали раньше, надо описывать суммой реакций каждой из частиц. Проведенный учеными компьютерный эксперимент показал, что это неверное представление: частицы постоянно взаимодействуют, влияют друг на друга, их «коллективное поведение» дает особый эффект и не сводится к сумме «индивидуальных» реакций. Значит, нагревать пораженный участок нужно на порядок меньше по времени, а получаемый эффект при этом – в два раза больше. Результаты этой работы представили в журнале Physical Review E. Работа поддержана грантом РНФ.

Магнитные наночастицы – частицы магнитных материалов размером 10–15 нанометров в поперечнике (это в сто раз меньше самого тонкого человеческого волоса). Воздействуя на такие частицы внешним магнитным полем, можно с их помощью «транспортировать» лекарства точно к определенному участку организма. Если поместить такие частицы в специальное вещество, избирательно поглощаемое раковыми клетками, рентген даст более контрастную, яркую, отчетливую картину ткани, пораженной опухолью. В этом исследовании магнитные частицы рассматривали как незаменимый участник процесса лечения рака, когда опухоль локально нагревают, параллельно проводя химиотерапию.

Это происходит так: переменное магнитное поле, формирующееся источником переменного электрического тока (а это большинство электрических сетей), поглощает энергию и заставляет частицы вращаться все быстрее и быстрее и тем самым обеспечивать нагрев. Интенсивность отклика частиц зависит от разных факторов: мощности излучателя магнитного поля, частоты его вращения, размеров наночастиц, сцеплений их друг с другом и так далее.

Алексей Иванов, доктор физико-математических наук, профессор Уральского федерального университета (Екатеринбург) и профессор Филип Кэмп (Эдинбургский университет) поставили перед собой задачу – с помощью моделирования процесса на компьютере спрогнозировать реакцию целого «коллектива» магнитных наночастиц на внешний источник магнитного поля той или иной мощности и частоты. Российский ученый отвечал за теоретическое обоснование эксперимента, шотландский – за его практическое исполнение на суперкомпьютере.

«Условия природы полностью воссоздать на компьютере невозможно, воспроизводится модель, максимально приближенная к реальности. Преимущество метода компьютерного моделирования в том, что оно, во-первых, дешевле, чем лабораторные исследования, во-вторых, известны все параметры каждой частицы и все воздействующие факторы. В естественных условиях всегда имеются факторы, не до конца известные и не вполне контролируемые», – объясняет Алексей Иванов.

В соответствии с классической теорией Дебая 1923 года «коллективное поведение» частиц описывается суммой реакций каждой из частиц, сложенных в «ансамбль». Компьютерные эксперименты привели Алексея Иванова и Филипа Кэмпа к предположению, что это неверное представление, что частицы постоянно взаимодействуют, влияют друг на друга и их «коллективное поведение» дает особый эффект и не сводится к сумме «индивидуальных» реакций.

«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. Выяснилось, что, если описывать процессы классическими формулами Дебая, 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 формулы Дебая 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 Дебая 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», – поясняет Алексей Иванов.

Теперь Алексей Иванов и его коллеги из Брауншвейгского технического университета (Германия) планируют сделать серию лабораторных экспериментов, чтобы подтвердить теорию.



©РАН 2019