Удалось изучить активность веществ, образующихся во время лечения опухоли на оболочке раковых клеток и окисляющих их. Исследование провели сотрудники Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина (ИФХЭ) РАН (Москва) с коллегами из России и Австрии, а результаты опубликовали в журнале Scientific Reports. Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).
Иногда такие болезни, как рак, инфекционные заболевания и заболевания кожи лечат при помощи фотодинамической терапии. Светочувствительные вещества фотосенсибилизаторы генерируют особо активную форму кислорода (синглетный кислород), «прилипают» к раковым клеткам и окисляют их под воздействием света определенной длины волны.
Большинство молекул фотосенсибилизаторов оседает на оболочках клеток и именно там проявляет свою активность. Основой оболочек клеток служит двойной слой липидов – молекул жироподобных веществ, состоящих из двух частей: «головы» и «хвоста». В оболочке «хвосты» липидов направлены внутрь, так что с обеих сторон слоя оказываются полярные «головы», которые имеют заряд или электрический диполь, и таким образом они создают полярную среду. Толщина липидного бислоя всего 5 нанометров – в десять тысяч раз тоньше человеческого волоса. Активность фотосенсибилизаторов, которые применяются сейчас, оценивалась для объемной водной или неполярной (состоящей из молекул, не имеющих заряда) сред, которые по своим свойствам сильно отличаются от слоя липидных молекул.
«Наша задача состояла в том, чтобы смоделировать действие фотосенсибилизаторов непосредственно на клеточной мембране и выявить в характеристиках их активности те отличия, которые сопряжены со структурой липидного бислоя. Именно это нам и удалось. Мы создали систему, которая позволяет анализировать, насколько эффективно фотосенсибилизаторы генерируют кислород непосредственно на липидных мембранах. Мы показали, что время жизни этой формы кислорода на мембране заметно отличается от тех оценок, которые были получены для объемной неполярной фазы. Фактически это аналогично тому, насколько двумерные пленки графена отличаются по своим свойствам от объемной фазы углерода», – рассказал заведующий лабораторией биоэлектрохимии ИФХЭ РАН, кандидат физико-математических наук Олег Батищев.
Важные параметры для оценки активности фотосенсибилизаторов – эффективность генерации синглетного кислорода, его время жизни и длина свободного пробега (расстояние, которое молекула пролетает от одного столкновения до следующего, зависящее от концентрации молекул). Связывание фотосенсибилизаторов и разрушение молекул синглетным кислородом при освещении регистрируются с помощью скачка электрического потенциала на границе мембраны с водой. Ученые использовали методы корреляционной спектроскопии, чтобы оценить плотность молекул на поверхности липидного бислоя. Электрохимические методы помогли измерить электрические потенциалы на липидных мембранах и определить активность синглетного кислорода.
Чтобы количественно оценить эффективность фотосенсибилизаторов, ученые предложили подробную математическую модель. Она позволяет давать рекомендации по синтезу и отбору этих веществ для фотодинамической терапии рака.
«Мы впервые предложили удобную экспериментальную систему, позволяющую анализировать и количественно описывать все наблюдаемые явления. Эту систему и математическую модель процесса можно использовать для подбора тех фотосенсибилизаторов, которые будут наиболее эффективны именно на клеточных мембранах, где они в основном и концентрируются. В дальнейшем мы планируем отобрать те фотосенсибилизаторы, которые покажут максимальную эффективность в нашей экспериментальной системе, для последующей их проверки уже непосредственно на культурах раковых клеток», – поделился ученый.