Среди насущных проблем современности особое место принадлежит проблеме борьбы с онкологическими заболеваниями. Болезни этого типа вызывают страх и ассоциации со «смертельным приговором», хотя на самом деле это – лишь диагноз и большинство онкологических болезней на ранних стадиях выявления полностью поддаются лечению, пишет Юлия Тихоненко-Полищук в рамках конкурса Tech Today Awards.
Неутешительным является факт роста заболеваний раком по всему миру, и Украина – не исключение. В своем последнем отчете Всемирная организация здравоохранения сделала следующий вывод: количество новых случаев онкологических заболеваний вырастет на 70% к 2032 году, достигнув цифры 22 млн в год, когда в 2012-м эта цифра составляла 14 млн.
На сегодня существуют мощные методики борьбы с раком, такие как хирургическое лечение, химиотерапия и лучевая терапия (радиотерапия). Последние две методики характеризуются достаточно высокой эффективностью, но в то же время являются агрессивными с рядом побочных эффектов, которые негативно влияют на нормальное функционирование организма и на качество жизни в целом. В случае химиотерапии введенные медикаменты распространяются по всему организму и для того, чтобы достичь нужной концентрации препарата в области опухоли, необходимо применять «огромные» дозы. А это имеет разрушительное влияние не только на злокачественные образования, но и существенно подавляет жизнедеятельность здоровых органов. Поэтому довольно часто больной должен отказаться от лекарственного препарата, который ему действительно помогает, только для того, чтобы уберечь организм от окончательного разрушения.
В свою очередь, дозы облучения, полученные во время радиотерапии, поражают как саму опухоль, так и «живые» ткани в ее окрестности. В связи с этим возникают важные вопросы: «существует ли возможность сосредоточения терапевтического воздействия лишь на раковую опухоль? Как можно уменьшить вредные побочные эффекты?» Современное развитие высоких технологий дает ответ на этот вопрос – магнитная гипертермия выступает одной из наиболее перспективных и безопасных методик с локализацией воздействия только на злокачественное образование, и постепенно вводится в мировую лечебную практику.
Магнитная гипертермия (МГТ) является представителем класса методик, известных под общим названием «лечебная гипертермия». Термин «гипертермия» означает повышение температуры тела, когда оно получает или вырабатывает больше тепла, чем отдает. Принцип МГТ основан на хорошо установленном факте, что раковые опухоли являются более податливыми к воздействию тепла, чем здоровые ткани организма. В частности, известно, что нагрев до температур 42-45 °С повышает чувствительность пораженных клеток к применению химиотерапии или радиотерапии. При этом дозы лекарств или облучения можно значительно уменьшить (вдвое, а то и втрое по сравнению с самостоятельным применением упомянутых методик). А это значительно уменьшает побочные эффекты! Кроме этого, путем нагрева до 46-50 °С можно полностью разрушить раковые клетки (в медицине этот процесс называют термоабляцией).
Как, наверное, уже понятно, дальше речь пойдет об использовании «чего-то» магнитного, что, собственно, и является причиной или источником нагрева опухоли до указанных температур. Основным компонентом МГТ является использование магнитной жидкости (иногда методику еще называют магнитной жидкостной гипертермией). Магнитная жидкость – это водный раствор магнитных частиц с чрезвычайно малыми размерами – порядка нескольких десятков миллионных долей от одного миллиметра. Такие размеры соответствуют нескольким десяткам атомов, размещенных в ряд, а раздел науки, который занимается изготовлением и изучением свойств таких объектов называется нанотехнологией (один нанометр (нм) как раз соответствует одной миллионной миллиметра (мм)). Концентрация таких частиц (далее наночастиц) в магнитной жидкости может составлять лишь несколько процентов, что значительно меньше концентрации лекарств, которую обычно вводят при химиотерапии.
Почему именно магнитные наночастицы? Во-первых, их местонахождение можно эффективно контролировать магнитным полем, что позволяет сосредоточить и удерживать их в месте опухоли. Во-вторых, именно магнетизм этих наночастиц обусловливает их нагрев при определенных условиях. А именно, когда внешнее магнитное поле начинает быстро изменяться, оно индуцирует в наночастицах физические процессы, которые преобразуют энергию поля в тепло – то есть наночастицы нагреваются.
МГТ имеет три важных этапа: первый – введение магнитной жидкости и ее сосредоточение в области опухоли; второй – разогрев наночастиц в приложенном переменном магнитном поле; третий – применение химиотерапии или радиотерапии при достижении и поддержании температуры 42-45 С, дальнейшее нагревание тканей до температур разрушения раковых клеток, 46-50 °С (термоабляция). Таким образом, магнитные наночастицы играют роль индукторов тепла, которые локально нагревают окружающую их среду (опухоль) до необходимой температуры для обеспечения необходимого терапевтического эффекта.
Режим разогрева магнитных наночастиц на втором этапе имеет важное значение и зависит от параметров как самих наночастиц, так и приложенного переменного магнитного поля. Параметрами переменного магнитного поля, которые следует тщательно подбирать, является амплитуда (максимальная величина поля) и частота (скорость изменения поля). От указанных параметров зависит скорость нагрева, а значит и время достижения требуемой температуры t. При этом критическое значение имеет точный контроль соотношения между температурой нагрева опухоли Т и временем t. Почему соотношение «T–t» настолько важно? Ответ на это вопрос вытекает из медицинских ограничений на температуры, до которых можно нагревать ткани нашего организма. Оказывается, когда T превышает 50 °С или время воздействия переменным полем больше, чем определенное критическое значение – так, раковые клетки погибнут, однако здоровые клетки организма также потерпят поражение. С другой стороны, если T ниже 42 °С или время воздействия достаточно мал – не будут достигнуты условия для эффективного терапевтического воздействия. Более того, в последнем случае присутствует завуалированная опасность – нагрев раковых клеток до 39 °С наоборот стимулирует их быстрое размножение. Другая важная проблема МГТ – это достижение равномерного нагрева раковой опухоли напрямую зависит от того, насколько однородно распределены наночастицы в ней. В случае неоднородного распределения опухоль будет нагреваться в одних областях больше, а в других – меньше, и тогда в течение одного и того же времени t есть существенная опасность перегрева или недогрева ее отдельных частей.
Корректный контроль соотношения «T–t» и достижение однородного распределения наночастиц в области опухоли обеспечивают эффективность МГТ и, что чрезвычайно важно, его безопасность для живых организмов. Однако, существуют также другие важные характеристики, над оптимизацией которых и работают современные ученые в области химии, физики, биологии и медицины!
Во-первых, магнитные наночастицы должны соответствовать жестким критериям:
- они должны быть изготовленными (или покрыты) из нетоксичного материала,
- не слипаться для обеспечения однородного распределения в опухоли и предотвращения тромбообразованию,
- иметь размеры менее 70 нм для эффективного проникновения в клетки, и, в то же время,
- характеризоваться эффективным нагревом в переменном магнитном поле.
Во-вторых, для эффективного нагрева наночастиц, амплитуда и частота переменного магнитного поля должны быть как можно выше. С другой стороны, для безопасного воздействия поля на живые ткани организма накладываются медицинские ограничения на величины данных параметров: так, частота должна находиться в пределах от 50 кГц до 10 МГц, а амплитуда не превышать 18 кА/м (это примерно в 500 раз больше, чем магнитное поле Земли, но меньше поля, создаваемые бытовыми магнитами). Кроме того, увеличение частоты приводит к уменьшению глубины проникновения поля в ткани.
Впервые на возможность локального нагрева злокачественных опухолей с использованием магнитных частиц указала группа американских ученых во главе с Г. Гилхристом в 1957 году, которая проводила исследования по нагреву лимфатических узлов у собак с помощью маленьких частиц оксида железа. С того времени было получено много обещающих результатов по борьбе с раком у животных. Первые же попытки применить МГТ для лечения людей, проведенные группой немецких ученых в начале 2000-х годов, доказали ее эффективность и безопасность.
На сегодня, существует единственная в мире коммерческая клиника MagForce, созданная в Германии в 1997 году, которая впервые получила разрешение от европейского медицинского сообщества на использование методики МГТ для лечения рака. Данная группа ученых использует магнитные наночастицы оксида железа (магнетита) размерами 15 нм, покрытых специальной биосовместимой полимерной оболочкой (аминосилан). Выбор именно магнетита не является удивительным, поскольку он обладает слабым токсическим действием и даже существуют сведения, что наш организм может сам его вырабатывать.
С другой стороны, наночастицы магнетита эффективно нагреваются в переменном магнитном поле. Как наиболее безопасные для пациентов, выбранные величины параметров магнитного поля – амплитуда 2-15 кА/м и частота 100 кГц. Основной терапевтический эффект достигается с помощью нагрева опухоли до 43 °С в течение одного часа с последующим применением радиотерапии. Также осуществляется минимальное хирургическое вмешательство: с целью контроля температуры, в местонахождение опухоли и соседней здоровой ткани вводятся специальные термометры. Курс лечения состоит из двух сеансов в неделю, общей продолжительностью лечения – три недели. Первая контрольная группа (2014 – начало 2016 гг.) насчитывала 59 пациентов с мультиформной глиобластомой мозга. Результаты применения МГТ в комбинации с лучевой терапией увеличили среднее время жизни в группе с 6,2 до 13,4 месяцев, то есть вдвое, причем тяжелых побочных эффектов не было выявлено!
На данный момент продолжаются исследования контрольной группы из 90 пациентов с опухолями мозга и 80 пациентов с раком простаты, поджелудочной железы и пищевода.
Автор: Юлия Тихоненко-Полищук, аспирантка Института магнетизма НАН Украины и МОН Украины
