Vědci z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) Univerzity Palackého spolu s kolegy z řecké Univerzity Patras a Univerzity Karlovy v Praze vyvinuli novou látku vhodnou jak pro diagnostiku pomocí zobrazovacích metod, tak pro cílenou protinádorovou léčbu. Jimi připravené nanokrystaly oxidu železa dosahují velmi vysoké, až 70procentní účinnosti fotokonverze. Tím překonávají nejen stávající fototermální látky na bázi železa, ale také fototermální účinnost doposud nejvíce používaných nanočástic zlata. V porovnání s nimi je nový materiál nejen účinnější, ale i levnější a lze jej snadno připravit.
Fototermální látky na bázi nanočásticových struktur, zejména takové, které působí v biologicky vhodných podmínkách pro zobrazování tkání v infračervené (NIR) oblasti, jsou nadějnými kandidáty pro in vivo optické, fotoakustické i magnetické zobrazování. Současně je lze díky jejich schopnosti přeměny světelné energie na tepelnou využít pro fototermální terapii nádorových onemocnění.
„Magnetické nanočástice oxidu železitého představují multifunkční, spinově aktivní a zároveň biokompatibilní nanomateriál, avšak účinnost jeho fototermální konverze je výrazně nižší ve srovnání s referenčními fototermálními látkami, jako jsou nanočástice zlata nebo stříbra. Možnou strategií, jak zvýšit absorpci v NIR oblasti, a tím nezářivý přenos tepla do okolní tkáně, může být řízené pospojování připravených magnetických nanokrystalů do větších celků. Takové materiály však dosahují účinnosti přeměny na tepelnou energii pouze 30 až 40 procent,” uvedl korespondenční autor práce publikované v časopise ACS Applied Materials & Interfaces Aristides Bakandritsos.
Vědci z CATRIN a jejich řečtí kolegové použili nový přístup tzv. in situ epitaxiálního růstu krystalů dovolující uspořádat jednotlivé krystaly do velmi těsné blízkosti. Vyvinuté nanostruktury oxidu železitého vykazují nebývalou účinnost fotokonverze až 70 procent.
„Tato vysoce účinná fototermální látka absorbující světlo v NIR oblasti je vyrobená z levných a běžně dostupných prvků, a má tak obrovský aplikační potenciál. Je navíc odolná vůči laserovému ozáření. To je další klíčová výhoda ve srovnání s doposud nejvíce studovanými nanostrukturami zlata, které jsou za vysokého ozáření náchylné k roztavení. Všechny tyto vlastnosti předurčují tento materiál k jeho dalšímu in vivo využití v oblasti nanomedicíny,” objasnil první autor práce Argiris Kolokithas-Ntoukas.
Dalším důležitým přínosem práce je vývoj jednoduché a cenově dostupné povrchové úpravy těchto magnetických nanočástic pomocí funkcionalizace biokompatibilním polymerem – polyethylenglykolem (PEG). Při ní není nutné použít žádná organická rozpouštědla či toxické látky, tak jak je to doposud v procesu povrchové úpravy PEG polymerem běžné. Povrchová funkcionalizace je nutnou součástí úpravy chemické modifikace oxidu železitého pro vlastní biomedicínské aplikace.
„Pro funkcionalizaci byl vybrán bifunkční polymer, který současně poskytuje vazebná místa pro navázání fluorescenčního barviva absorbujícího v NIR oblasti. To nám umožnilo in vivo optické a fotoakustické zobrazování při 800 nm, tj. v transparentním optickém okně tkání. Kombinace těchto vlastností spolu s kontrastní účinností oxidů železa při zobrazování magnetickou rezonanci tak dovoluje použít vyvinutý nanosystém jako levnou, univerzální a účinnou teranostickou látku. Pro diagnostické účely lze totiž využít magnetickou rezonanci, ale i optické či fotoakustické zobrazování. Zmíněná vysoká účinnost fotokonverze pak předurčuje materiál pro pokročilé testování v oblasti fototermální terapie,” uzavřel Bakandritsos.