Твой проект —
твоя профессиональная
Траектория

Биодеградируемые наночастицы для радиофармпрепаратов

Партнер
ВУЗ
Актуальность

В последние годы активно исследуются возможности применения биосовместимых и биодеградируемых наночастиц (НЧ) кремния в медицине. Их можно использовать как светящиеся метки при визуализации живых клеток, в качестве сенсибилизаторов для фототерапии, для локального нагрева тканей с помощью лазерного, радиочастотного или ультразвукового излучений. Кроме того, НЧ могут работать транспортными средствами (наноконтейнерами) для лекарств, которые нужно доставить в больную клетку. Уникальные возможности открываются при использовании НЧ пористого кремния в ядерной медицине, где они могут служить наноконтейнерами для доставки радиоактивных атомов в очаг заболевания. Особенно актуально это при лечении рака. Возможность применения кремниевых наноконтейнеров в диагностике и лечении рака обусловлена способностью кремниевых наночастиц проникать и накапливаться в раковых клетках. Если поместить внутрь наночастицы радиоактивный атом, то можно пометить больные клетки, чтобы затем с помощью томографа (ПЭТ или ОФЭКТ) с точностью до нескольких миллиметров определить положение этих клеток внутри организма. Выполнив свою транспортную функцию, кремниевые НЧ бесследно растворяются в организме без каких-либо вредных побочных эффектов. Если в раковую клетку с помощью наночастиц доставить терапевтический изотоп, испускающий альфа или бета-частицы, то можно остановить рост опухоли, разрушив ДНК больных клеток. Таким образом, наночастицы пористого кремния станут универсальным средством и для обнаружения, и для лечения раковых опухолей. Актуальность предлагаемого способа создания РФП обусловлена прежде всего биосовместимостью и биодеградируемостью кремниевых наноконтейнеров. Кроме того, изменяя размер и пористость наночастиц, покрывая их полимерными оболочками, прикрепляя к их поверхности различные органические молекулы, можно управлять избирательностью наночастиц по отношению к различным клеткам и обеспечивать их адресную доставку в нужный орган. Все это позволяет на основе кремниевых наноконтейнеров создавать широкий спектр радиофармпрепаратов (наноРФП) для экспресс-диагностики различных видов опухолей, щадящей терапии рака и неонкологических заболеваний. 

В первую очередь при разработке наноРФП следует выяснить, могут ли данные наночастицы накапливаться в больных органах, доказать их безопасность для организма и разработать способы прикрепления нужных радиоизотопов к наноконтейнерам. 

Описание

Цель проекта - разработка методики изготовления радиофармпрепаратов нового поколения для ядерной медицины на основе биоразлагаемых наночастиц пористого кремния.

Проект включает в себя решение следующих задач:

Выбор 3-х радионуклидов наиболее подходящих для создания наноРФП (для ПЭТ и ОФЭКТ диагностики, для радионуклидной терапии). Критерии выбора: 

эффективность (позволяет получить рентгеновское изображение или уничтожить больные клетки);

безопасность (небольшая дозовая нагрузка на пациента, низкая токсичность, отсутствие побочных эффектов в случае передозировок и нештатного разрушения наноконтейнеров);

доступность (разработаны способы производства в России, минимальная цена).

Создание в среде Matlab математической модели радиоизотопного генератора для определения его оптимальных параметров (начальной активности и времени элюирования), которые позволяют получить максимальное количество радиоизотопа с наименьшими затратами материнского изотопа.

Разработка методики присоединения радионуклидов к наночастицам с использованием молекул модельного флюоресцирующего вещества (флуоресцеина). Доказать возможность использования наночастиц пористого кремния в качестве средства транспортировки радионуклидов. Основные вопросы:

Как присоединить молекулу флуоресцеина к наночастице (адсорбция на нанопоры, связывание молекулами белка)?

Как выделить наночастицы из раствора (центрифугирование, фильтрация, т.д.)?

Как проверить, что наночастицы остались связанными с флуоресцирующими молекулами (УФ диод, спектрофотометр)?

Как определить, где находятся прикрепленные молекулы внутри или снаружи наночастиц?

Экономическое обоснование производства наноРФП для ядерной медицины на основе наночастиц пористого кремния.

Доступное для использования оборудование:

Атомно-силовой микроскоп (можно использовать для визуализации наночастиц и определения их размеров) 

Анализатор размеров частиц  методом динамического светорассеяния (позволяет построить распределение частиц в коллоиде по размерам)

Спектрофотометр (для контроля люминесцентных свойств частиц различных размеров) 

Микроцентрифуга (для разделения наночастиц по массе и/или размерам)

Светодиодный источник ультрафиолетового излучения (позволяет исследовать люминесценцию наночастиц  

pH-метр

Набор ацетат-целлюлозных фильтров с различным диаметром пор

Имеющиеся вещества:

Смесь наночастиц размерами от 6 нм до 1 мкм в виде коллоида.

Дистилированная вода

Минеральная вода

Декстран

Флуоресцеин

Альбумин

Примечание: Задачи получения и использования радиоактивных изотопов решаются теоретически и на компьютерных моделях. Методы работы с кремниевыми наночастицами осваиваются экспериментально. Оценку скорости биодеградации кремниевых наночастиц каждый участник проводит на протяжении всего кейса с помощью своего индивидуального образца.

Результат

В качестве результата решения кейса предполагается следующее:

Разработка математической модели накопления 3-х выбранных медицинских радиоизотопов в генераторе (программа в Matlab, графики накопления радиоизотопов). Определение начальной загрузки генератора материнским изотопом и времени элюирования дочерних изотопов. 

Определение оптимальной технологической цепочки присоединения радионуклида к наночастицам. Получение образцов наночастиц с прикрепленными молекулами флуоресцирующего вещества. Сравнение разных способов присоединения к наночастицам.

Бизнес-план по организации производства РФП на основе кремниевых наноконтейнеров.

Требования

Выбранные радионуклиды для наноРФП должны обеспечивать получение ПЭТ, ОФЭКТ-изображений и поражение опухолевых клеток. Параметры работы генераторов должны обеспечивать выход максимального количества дочернего изотопа на единичную активность материнского. При этом надо учесть, что единичная доза радиоизотопа имеет активность 1 ГБк, а время элюирования не может быть меньше 30 минут.

С помощью флуоресцеина нужно доказать, что к наночастицам пористого кремния можно прикрепить молекулы другого вещества и они будут прочно удерживать его, выполняя роль транспортного контейнера. 

В бизнес плане должны быть описаны области применения наноРФП, потребители, необходимое оборудование для производства, проанализированы затраты на производство основных компонентов, транспорт, инфраструктуру, доходы и рентабельность.

Ограничения

Наноконтейнеры должны быть биодеградируемыми, чтобы не вызывать побочных эффектов.

Наноконтейнеры для радионуклидной диагностики и терапии должны быть оптимального размера для захвата раковыми клетками. 

Производство РФП на основе кремниевых наноконтейнеров для ядерной медицины должно быть рентабельным