RU2447915C1 - Method for ultrasound amplification in hyperthermia therapy of tumour tissues with using silicone nanoclusters - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medicine, and may be used for ultrasound amplification in hyperthermia therapy of tumour tissues. That is ensured by introducing an aqueous solution of silicone nanoclusters via blood flow into the tumour tissue. It is followed by targeted localised heating of tumour tissue cells to be thereafter mechanically damaged with using ultrasound hyperthermia technique.

EFFECT: method provides local destruction of tumour tissues with minimal damage of surrounding healthy tissues in experiment.

5 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к онкологии, и может быть использовано для селективного разрушения раковых клеток и опухолевых тканей.The invention relates to medicine, in particular to oncology, and can be used for the selective destruction of cancer cells and tumor tissues.

Из уровня медицины хорошо известны технические решения аналогичного характера.From the level of medicine, technical solutions of a similar nature are well known.

Так, из уровня медицины известной является система фокусированного воздействия ультразвуком высокой интенсивности для сканирования и лечения опухолей, раскрытая в описании патента РФ №2210409, A61N 7/02, A61F 7/00, 18.12.1998. Изобретение относится к медицинской технике, а именно к терапевтическим аппаратам для сканирования и лечения гипертермией опухолевых тканей внутренних органов. Система фокусированного ультразвука (УЗ) высокой интенсивности для сканирования и лечения опухолей состоит из комбинированного датчика, источника энергии высокой интенсивности, ультразвукового сканера в В-режиме, многомерного устройства перемещения с цифровым управлением, вакуумного дегазатора, терапевтической кушетки и компьютерной системы управления. Комбинированный датчик состоит из УЗ-головки В-режима и терапевтической головки, которая генерирует ультразвук с терапевтическим воздействием, при этом ее излучающий ультразвук конец установлен на многомерном аппарате перемещения, который осуществляет сканирующее перемещение снаружи плоскости тела под управлением компьютера. Изобретение позволяет повысить эффективность лечения опухолей внутренних органов за счет точности наведения и размещения терапевтической головки.So, from the level of medicine the well-known is a system of focused exposure to high intensity ultrasound for scanning and treatment of tumors, disclosed in the description of the patent of the Russian Federation No. 2210409, A61N 7/02, A61F 7/00, 12/18/1998. The invention relates to medical equipment, namely to therapeutic devices for scanning and treating hyperthermia of tumor tissues of internal organs. A high-intensity focused ultrasound (ultrasound) system for scanning and treating tumors consists of a combined sensor, a high-intensity energy source, a B-mode ultrasound scanner, a multidimensional digitally controlled moving device, a vacuum degasser, a therapeutic couch and a computer control system. The combined sensor consists of a B-mode ultrasound head and a therapeutic head that generates ultrasound with a therapeutic effect, while its ultrasonic emitting end is mounted on a multidimensional displacement apparatus that performs scanning movement outside the body plane under computer control. The invention improves the efficiency of treatment of tumors of internal organs due to the accuracy of guidance and placement of the therapeutic head.

Также из уровня медицины известным является способ локального нагрева внутренних тканей человеческого тела, раскрытый в описании заявки РФ №2006107055, A61N 5/067, 09.03.2006 и предназначенный для селективной гипертермии и абляции злокачественных новообразований, лечения злокачественных опухолей, располагающихся внутри тела больного воздействием электромагнитного излучения, отличающийся тем, что при этом в качестве излучателя используют один или более одного лазерного источника строго определенной длины волны, а также обеспечивают концентрирование излучения в требуемой области человеческого тела посредством фокусировки или одновременным направлением нескольких потоков излучения в один заданный ограниченный объем, при этом обеспечивают условия, при которых нагрев окружающих тканей будет незначителен.Also known from the level of medicine is a method of local heating of the internal tissues of the human body, disclosed in the description of the application of the Russian Federation No. 2006107055, A61N 5/067, 03/09/2006 and intended for selective hyperthermia and ablation of malignant neoplasms, treatment of malignant tumors located inside the patient’s body by electromagnetic radiation, characterized in that at the same time as the emitter use one or more of one laser source of a strictly defined wavelength, and also provide concentra of the radiation in the desired region of the human body through the focusing direction or simultaneous multiple streams of radiation in one predetermined limited amount, thus providing the conditions under which heating of surrounding tissue is negligible.

Кроме того, известным является способ подавления роста опухолей, раскрытый в патенте РФ №2339414, A61N 5/067, B82B 1/00, A61K 31/41, A61K 33/30, A61K 33/34, A61P 35/00, 27.03.2007. Изобретение относится к медицине, а именно к онкологии, и может быть использовано при лечении злокачественных опухолей. Сущность заявляемого способа заключается в том, что внутривенно вводят наночастицы фталоцианинов в дозе не ниже 5 мг/кг веса и не выше максимально переносимой дозы с последующим облучением опухоли лазерными импульсами с длиной волны в области интенсивного поглощения наночастиц при плотности энергии в импульсе не ниже 0,1 Дж/см² и суммарной плотности энергии не ниже 10 Дж/см². Использование наночастиц фталоцианинов в указанных условиях позволяет повысить эффективность лечения злокачественных опухолей по сравнению с применявшимися ранее наночастицами углерода благодаря более высокому коэффициенту поглощения наночастиц фталоцианинов.In addition, a known method for suppressing tumor growth disclosed in RF patent No. 2339414, A61N 5/067, B82B 1/00, A61K 31/41, A61K 33/30, A61K 33/34, A61P 35/00, 03/27/2007 . The invention relates to medicine, namely to oncology, and can be used in the treatment of malignant tumors. The essence of the proposed method lies in the fact that phthalocyanine nanoparticles are administered intravenously at a dose of not less than 5 mg / kg body weight and not higher than the maximum tolerated dose, followed by irradiation of the tumor with laser pulses with a wavelength in the region of intense absorption of nanoparticles with an energy density of not less than 0 in the pulse 1 J / cm ² and a total energy density of at least 10 J / cm ² . The use of phthalocyanine nanoparticles under these conditions can improve the treatment of malignant tumors compared with previously used carbon nanoparticles due to the higher absorption coefficient of phthalocyanine nanoparticles.

Также известным является способ получения магниточувствительных липосом, раскрытый в описании патента РФ №2357724, A61K 9/127, A61K 9/51, A61K 33/26, A61K 35/12, 22.10.2007.Also known is the method for producing magnetosensitive liposomes disclosed in the description of the patent of the Russian Federation No. 2357724, A61K 9/127, A61K 9/51, A61K 33/26, A61K 35/12, 10/22/2007.

Изобретение относится к области медицины - онкологии (а также генной инженерии, биохимии) - и касается способов получения магниточувствительных липосомальных систем доставки лекарственных веществ с контролируемым высвобождением. Способ получения магниточувствительных липосом, содержащих лекарственное средство, включает растворение фосфолипидов в хлороформе, добавление носителя магнитных свойств и воздействие ультразвуком, при этом в качестве источника фосфолипидов используют барсучий жир, в качестве носителя магнитных свойств используют ферромагнитный нанопорошок металла, полученный газофазным способом, с размером частиц 2-5 нм, заключенный в углеродную оболочку, и стерилизуют липосомальную систему в камере бетатрона.The invention relates to the field of medicine - oncology (as well as genetic engineering, biochemistry) - and relates to methods for producing magnetosensitive liposome controlled-release drug delivery systems. A method of producing magnetosensitive liposomes containing a drug involves dissolving phospholipids in chloroform, adding a carrier of magnetic properties and sonication, using badger fat as a source of phospholipids, using a gas-phase ferromagnetic metal nanopowder with particle size as a carrier of magnetic properties 2-5 nm, enclosed in a carbon shell, and the liposome system is sterilized in the betatron chamber.

Кроме того, из уровня медицины известны технологии аналогичного назначения, раскрытые в описаниях зарубежных охранных документов, например, WO 2009013630, CN 101264191, US 7510555, US 7448389, US 7371781, US 7309316, US 7229973 и др.In addition, technologies of a similar purpose disclosed in the descriptions of foreign security documents, for example, WO 2009013630, CN 101264191, US 7510555, US 7448389, US 7371781, US 7309316, US 7229973, etc., are known from the level of medicine.

В качестве наиболее близкого аналога может быть рассмотрен способ селективного разрушения меланомы, раскрытый в описании к патенту РФ №2347563, A61K 31/195, A61P 35/00, A61N 5/067, B82B 1/00, 21.11.2007. Изобретение относится к медицине, в частности к наномедицине и онкологии, и может быть использовано для селективного разрушения меланомы. Способ включает введение до облучения внутривенно раствора химического соединения аминокислоты L-фенилаланина с золотыми или серебрянными наночастицами. При этом минимальная концентрация наночастиц 10⁸ см^-3 и максимальная концентрация 10¹² см^-3. Плазменный резонанс наночастиц имеет спектральный максимум в области прозрачности биотканей на длине волны 750-1200 нм. Данные наночастицы представляют собой золотые или серебрянные нанооболочки с ядром из двуокиси кремния или наностержни. Облучение меланомы проводят не менее чем через 1 час и не более чем через 4 часа после введения раствора, лазерным пучком с длиной волны излучения, совпадающей со спектральным максимумом поглощения плазменного резонанса наночастиц. При этом облучение производят последовательностью лазерных импульсов с длительностью лазерного импульса в диапазоне 10 мкс - 100 нс при минимальной скважности три и более, при плотности энергии не менее 20 Дж/см², но не более 200 Дж/см². Способ позволяет локально проводить разрушение меланомы при минимальном разрушении окружающих здоровых клеток.As the closest analogue, the method for selective destruction of melanoma disclosed in the description of the patent of the Russian Federation No. 2347563, A61K 31/195, A61P 35/00, A61N 5/067, B82B 1/00, 11/21/2007 can be considered. The invention relates to medicine, in particular to nanomedicine and oncology, and can be used for the selective destruction of melanoma. The method includes the introduction, prior to intravenous irradiation, of a solution of a chemical compound of the amino acid L-phenylalanine with gold or silver nanoparticles. The minimum concentration of nanoparticles is 10 ⁸ cm ^-3 and the maximum concentration is 10 ¹² cm ^-3 . Plasma resonance of nanoparticles has a spectral maximum in the transparency region of biological tissues at a wavelength of 750-1200 nm. These nanoparticles are gold or silver nanoshells with a silicon dioxide core or nanorod. Irradiation of melanoma is carried out not less than 1 hour and not more than 4 hours after injection of the solution, by a laser beam with a radiation wavelength that coincides with the spectral maximum absorption of the plasma resonance of the nanoparticles. In this case, irradiation is performed by a sequence of laser pulses with a laser pulse duration in the range of 10 μs - 100 ns with a minimum duty cycle of three or more, with an energy density of at least 20 J / cm ² but not more than 200 J / cm ² . The method allows the local destruction of melanoma with minimal destruction of surrounding healthy cells.

Недостатками приведенных аналогов являются следующие:The disadvantages of the above analogues are the following:

- во-первых, при использовании методов гипертермии с применением ультразвука практически невозможно избежать поражения здоровых клеток организма при сколь угодно высоком уровне фокусирования ультразвуковых колебаний;- firstly, when using methods of hyperthermia using ultrasound, it is almost impossible to avoid damage to healthy cells of the body with an arbitrarily high level of focusing of ultrasonic vibrations;

- во-вторых, надежная доставка нанокластеров в месторасположение раковых клеток с использованием кровотока требует достаточно большой концентрации вводимого раствора, что может привести к побочным эффектам, обусловленным токсичностью материала, использованного для производства нанокластеров;- secondly, reliable delivery of nanoclusters to the location of cancer cells using blood flow requires a sufficiently high concentration of the injected solution, which can lead to side effects due to the toxicity of the material used to produce nanoclusters;

- в-третьих, использование электромагнитного излучения оптического диапазона для активации нанокластеров и достижения гипертермического эффекта не позволяет проводить разрушения объемных опухолей на глубинах более 1 мм ввиду ограниченной глубины поглощения данного излучения в биологических тканях.- thirdly, the use of electromagnetic radiation of the optical range to activate nanoclusters and achieve a hyperthermic effect does not allow the destruction of bulk tumors at depths greater than 1 mm due to the limited depth of absorption of this radiation in biological tissues.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение риска повреждения здоровых клеток организма и повышение уровня надежности уничтожения раковых клеток при использовании биосовместимых растворов нанокластеров кремния, активируемых воздействием ультразвукового излучения.The problem to which the invention is directed, is to reduce the risk of damage to healthy cells of the body and increase the level of reliability of the destruction of cancer cells when using biocompatible solutions of silicon nanoclusters activated by ultrasonic radiation.

При реализации данного изобретения достигаются несколько результатов, один из которых заключается в снижении требуемого уровня мощности источника ультразвуковых колебаний, используемых для повышения температуры раковых клеток, а другой - в адресной локализации нагрева, осуществляемого за счет осцилляции под действием ультразвука нанокластеров кремния, внедренных в раковую клетку.When implementing this invention, several results are achieved, one of which is to reduce the required power level of the source of ultrasonic vibrations used to increase the temperature of the cancer cells, and the other to address the localization of heating, which is carried out due to the ultrasound oscillations of silicon nanoclusters embedded in the cancer cell .

Определенное место в лечении злокачественных новообразований различных локализаций занимают методы, обеспечивающие локальное значительное повышение температуры опухоли, способствующее уничтожению раковых клеток (hyperthermia).A certain place in the treatment of malignant neoplasms of various localizations is occupied by methods that provide a local significant increase in the temperature of the tumor, contributing to the destruction of cancer cells (hyperthermia).

Экспериментально установлено, что цитотоксический эффект, обусловленный термической инактивацией протеинов и повреждением цитоплазматических мембран, развивается в температурном критическом интервале 42,5-43°C.It was experimentally established that the cytotoxic effect due to thermal inactivation of proteins and damage to cytoplasmic membranes develops in the critical temperature range of 42.5-43 ° C.

Из-за патологического строения сосудов злокачественных опухолей при повышении ее температуры не только полностью отсутствует увеличение скорости и объема кровотока и связанное с этим увеличение теплоотдачи, а наоборот, развиваются сосудистый стаз и многочисленные тромбозы, и, как следствие, значительное повышение температуры. В противоположность этому в нормальных тканях скорость перфузии и вместе с ней теплоотдача линейно возрастает с ростом температуры. Именно этот феномен и определяет избирательность (селективность) перегрева опухолевых тканей по сравнению с нормальными. Нарушение кровотока в солидных опухолях и хроническая гипоксия значительно повышают термочувствительность опухолевых клеток, и уже при температуре 43,5°C, к которой толерантны нормальные ткани, происходят необратимые повреждения клеток опухоли.Due to the pathological structure of the vessels of malignant tumors, when its temperature is increased, not only is there no increase in the speed and volume of blood flow and the associated increase in heat transfer, but on the contrary, vascular stasis and numerous thromboses develop, and, as a result, a significant increase in temperature. In contrast, in normal tissues, the perfusion rate and with it the heat transfer increases linearly with increasing temperature. It is this phenomenon that determines the selectivity (selectivity) of overheating of tumor tissues in comparison with normal ones. Violation of blood flow in solid tumors and chronic hypoxia significantly increase the heat sensitivity of tumor cells, and already at a temperature of 43.5 ° C, to which normal tissues are tolerant, irreversible damage to tumor cells occurs.

Выявлены и дополнительные возможности так называемого терапевтического ультразвука (УЗ), давно и успешно используемого в различных областях медицины [1].Additional possibilities of the so-called therapeutic ultrasound (US), long and successfully used in various fields of medicine, have been identified [1].

Терапевтическое действие ультразвука обусловлено его поглощением тканями организма. При этом взаимодействии энергия ультразвука в основном трансформируется в тепло, энергию поля сдвиговых напряжений стационарных акустических течений, а также в небольшой степени расходуется на образование и активизацию газовых или паровых пузырьков (кавитация) и для больших полимерных молекул на нетепловые специфические эффекты (в основном механические). Каждый из приведенных путей трансформации ультразвуковой энергии в той или иной степени может быть использован для получения терапевтических эффектов. В результате локального выделения тепла в тканях активируются обменные процессы, ускоряется рассасывание инфильтратов, увеличивается проницаемость клеточных мембран. Последнее обстоятельство облегчает поступление в клетку лекарственных веществ. Акустические течения также интенсифицируют обменные процессы и облегчают лекарственный транспорт в очаг поражения.The therapeutic effect of ultrasound is due to its absorption by body tissues. In this interaction, the energy of ultrasound is mainly transformed into heat, the energy of the shear stress field of stationary acoustic flows, and is also spent to a small extent on the formation and activation of gas or vapor bubbles (cavitation) and for large polymer molecules on non-thermal specific effects (mainly mechanical) . Each of the above ways of transforming ultrasonic energy to one degree or another can be used to obtain therapeutic effects. As a result of local heat generation in tissues, metabolic processes are activated, the absorption of infiltrates is accelerated, and the permeability of cell membranes increases. The latter circumstance facilitates the entry into the cell of medicinal substances. Acoustic currents also intensify metabolic processes and facilitate drug transport to the lesion site.

Преимуществом ультразвукового метода нагрева опухолей является возможность локализации нагреваемой области.The advantage of the ultrasonic method of heating tumors is the possibility of localization of the heated area.

К настоящему времени за рубежом создано большое количество разнообразных аппаратов для ультразвуковой гипертермии, в том числе наружных с несколькими источниками излучения и использованием фокусировки акустического потока, а также внутриполостных в виде зондов или трубок.To date, a large number of various devices for ultrasonic hyperthermia have been created abroad, including external devices with several radiation sources and the use of acoustic flow focusing, as well as intracavitary in the form of probes or tubes.

Механизмы противоопухолевых эффектов ультразвука могут быть связаны не только с его чисто тепловым воздействием за счет поглощения энергии УЗ в тканях, но и с механическим действием (в частности, кавитацией), повышением проницаемости клеточных мембран и т.д.The mechanisms of the antitumor effects of ultrasound can be associated not only with its purely thermal effect due to the absorption of ultrasound energy in tissues, but also with a mechanical effect (in particular, cavitation), increased permeability of cell membranes, etc.

Совместное использование УЗ-воздействия с химиотерапией приводит к существенному усилению противоопухолевого действия этих агентов.The combined use of ultrasound exposure with chemotherapy leads to a significant increase in the antitumor effect of these agents.

В настоящее время ведется интенсивная разработка методов адресной доставки лекарственных препаратов с использованием наноматериалов, их применение при диагностике и лечении онкологических заболеваний.Currently, intensive development of methods for targeted delivery of drugs using nanomaterials, their use in the diagnosis and treatment of cancer.

С этой точки зрения нанокластеры кремния являются уникальным материалом.From this point of view, silicon nanoclusters are a unique material.

Предлагаемый метод лечения состоит во введении в клетки опухоли кремниевых нанокластеров и локального воздействия УЗ для возбуждения колебательных движений последних с амплитудой, достаточной для повышения температуры окружающей среды до гипертермического уровня и механического повреждения раковой клетки.The proposed method of treatment consists in introducing silicon nanoclusters into the tumor cells and localizing ultrasound to excite the vibrational movements of the latter with an amplitude sufficient to increase the ambient temperature to a hyperthermic level and mechanical damage to the cancer cell.

Далее приведены основные результаты экспериментальных исследований, подтверждающих возможность решения поставленной задачи.The following are the main results of experimental studies confirming the possibility of solving the problem.

Порошки кремниевых нанокластеров (nc-Si) могут быть изготовлены либо электрохимическим травлением пластин кристаллического кремния в растворах на основе плавиковой кислоты до получения пленок мезопористого кремния (мезо-ПК) с последующим их механическим измельчением, либо механическим измельчением поликристаллических порошков кремния при высокоэнергетичном помоле в водной среде с использованием шаровой мельницы [2].Silicon nanocluster (nc-Si) powders can be made either by electrochemical etching of crystalline silicon wafers in solutions based on hydrofluoric acid to obtain films of mesoporous silicon (meso-PC) with their subsequent mechanical grinding, or mechanical grinding of polycrystalline silicon powders with high-energy grinding in aqueous environment using a ball mill [2].

Для получения водных суспензий nc-Si осуществляется тридцатиминутный помол пленок мезо-ПК в планетарной мельнице в присутствии дистиллированной воды (15 актов измельчения по 2 минуты с 2-минутными перерывами между каждыми актами).To obtain aqueous suspensions of nc-Si, thirty-minute grinding of meso-PC films is carried out in a planetary mill in the presence of distilled water (15 grinding acts for 2 minutes with 2-minute breaks between each acts).

Исследованиям токсикологической безопасности наночастиц в биомедицинских исследованиях уделяется повышенное внимание [3, 4].Toxicological safety studies of nanoparticles in biomedical research are receiving increased attention [3, 4].

В [5], например, описано, что при попадании наночастиц в кровоток возможен их транспорт через все тело и накопление в конкретных органах. Здесь же отмечено, что если в организм попадает биорастворимый кремний, то он легко выводится в виде ортокремниевой кислоты.In [5], for example, it is described that when nanoparticles enter the bloodstream, their transport through the whole body and accumulation in specific organs is possible. It is also noted here that if biosoluble silicon enters the body, it is easily excreted in the form of orthosilicic acid.

Авторами работы [6] проведено исследование генотоксической и тератогенной активности кремниевых нанокластеров in vivo. Препараты, содержащие порошок nc-Si в виде пористых гранул с размерами около 1 мкм, состоящих из nc-Si размерами 2-5 нм в водной взвеси, вводили внутрибрюшинно крысам в дозах 5, 25 и 50 мг/кг. Исследуемый материал не показал цитогенетической активности в клетках костного мозга мышей после 24-часовой, 7 и 14-дневной экспозиции в организме животных после однократного введения. При оценке поведения 30-дневных крысят в тесте «открытое поле» было установлено, что самки потомства экспериментальной серии исследования характеризовались по сравнению с контролем достоверно высокими значениями горизонтальной двигательной и познавательной активности, достоверно низким показателем эмоциональности. В свою очередь, самцы характеризовались достоверно высокими показателями груминга и эмоциональности по сравнению с контрольной группой.The authors of [6] studied the genotoxic and teratogenic activity of silicon nanoclusters in vivo. Preparations containing nc-Si powder in the form of porous granules with a size of about 1 μm, consisting of nc-Si with a size of 2-5 nm in aqueous suspension, were administered intraperitoneally to rats at doses of 5, 25 and 50 mg / kg. The studied material did not show cytogenetic activity in the bone marrow cells of mice after 24-hour, 7, and 14-day exposure in animals after a single injection. When assessing the behavior of 30-day-old pups in the “open field” test, it was found that the females of the offspring of the experimental series of studies were characterized by significantly higher horizontal motor and cognitive activity and a reliably low rate of emotionality compared to control. In turn, the males were characterized by significantly high rates of grooming and emotionality compared with the control group.

Таким образом, в проведенных ранее исследованиях не выявлено цитогенетических и тератогенных эффектов nc-Si in vivo, показана их незначительная генотоксическая активность в клетках костного и головного мозга. Представленные результаты характеризуют nc-Si как биосовместимый наноматериал.Thus, in previous studies, the cytogenetic and teratogenic effects of nc-Si in vivo were not revealed, their insignificant genotoxic activity in bone marrow and brain cells was shown. The presented results characterize nc-Si as a biocompatible nanomaterial.

С целью моделирования эффективности применения кремниевых нанокластеров для повышения внутриклеточной температуры до гипертермического уровня при меньшей мощности ультразвука авторами проведены сравнительные исследования зависимости температуры при озвучивании воды и водного раствора нанокластеров кремния. С этой целью в ультразвуковую ванну (УЗВ6-0,063/37) помещались два сосуда: один с водой (контрольный образец), другой - с водной суспензией nc-Si с концентрацией 1 г/л (испытуемый образец).In order to simulate the efficiency of using silicon nanoclusters to increase the intracellular temperature to a hyperthermic level at a lower ultrasound power, the authors conducted comparative studies of the temperature dependence during the sounding of water and an aqueous solution of silicon nanoclusters. For this purpose, two vessels were placed in an ultrasonic bath (UZV6-0.063 / 37): one with water (control sample) and the other with an aqueous suspension of nc-Si with a concentration of 1 g / l (test sample).

В начальный момент времени температура в обоих сосудах была одинакова. Измерение температуры производилось через каждые 5 минут в течение одного часа. Частота ультразвукового излучения 35 кГц, средняя мощность 2 Вт/см².At the initial time, the temperature in both vessels was the same. The temperature was measured every 5 minutes for one hour. The frequency of ultrasonic radiation is 35 kHz, the average power is 2 W / cm ² .

На фиг.1 представлены зависимости температуры от времени воздействия УЗ-излучения на воду (кривая 1), а также на водную суспензию nc-Si с концентрацией 1 г/л (кривая 2).Figure 1 shows the temperature versus time of exposure to ultrasonic radiation on water (curve 1), as well as on an aqueous suspension of nc-Si with a concentration of 1 g / l (curve 2).

Больший нагрев суспензий nc-Si по сравнению с контролем обусловлен как тем, что кремниевые нанокластеры могут выступать в качестве центров локального нагрева вследствие как возникновения кавитации, так и трения между нанокластерами и водой.The greater heating of nc-Si suspensions compared to the control is due to the fact that silicon nanoclusters can act as local heating centers due to both cavitation and friction between nanoclusters and water.

Таким образом, наличие нанокластеров кремния в исследуемой суспензии при воздействии ультразвукового озвучивания увеличивает температуру окружающей их среды на 2-3°C или, что эквивалентно, температура гипертермического уровня может быть достигнута при меньшей мощности излучения.Thus, the presence of silicon nanoclusters in the suspension under the influence of ultrasonic sonication increases their ambient temperature by 2-3 ° C or, equivalently, the temperature of the hyperthermic level can be achieved with lower radiation power.

Далее представлены результаты предварительных биомедицинских экспериментальных исследований действия ультразвука и кремниевых нанокластеров на раковые клетки in vitro.The following are the results of preliminary biomedical experimental studies of the effects of ultrasound and silicon nanoclusters on cancer cells in vitro.

Исследуемая культура - клетки рака легкого человека. Культуральная среда - DME, 10% фетальной сыворотки, 5% CO₂, антибиотики.The studied culture is human lung cancer cells. The culture medium is DME, 10% fetal serum, 5% CO ₂ , antibiotics.

Источник ультразвукового озвучивания исследуемой культуры - ультразвуковая ванна УЗВ6-0,063/37.The source of ultrasonic scoring of the studied culture is an ultrasonic bath UZV6-0.063 / 37.

Измерительное оборудование - проточный цитофлуориметр PAS III (Partec, Germany).Measuring equipment - flow cytometer PAS III (Partec, Germany).

На фиг.2 представлены зависимости числа клеток рака легкого человека от времени после получасового воздействия УЗ в контрольной группе (кривая US) и в испытуемой группе с добавлением суспензии nc-Si в концентрации 1 г/л (кривая nc-Si).Figure 2 presents the dependence of the number of lung cancer cells on time after a half-hour exposure to ultrasound in the control group (curve US) and in the test group with the addition of a suspension of nc-Si at a concentration of 1 g / l (curve nc-Si).

Как видно, после получасового сеанса озвучивания исследуемых клеток контрольной группы показали сохранение жизнеспособности и способность к пролифирации.As can be seen, after a half-hour session of scoring of the studied cells of the control group showed the preservation of viability and the ability to proliferate.

Когда же сосуд Карреля с раковыми клетками в свежей культуральной среде, но с добавлением 5 мг nc-Si (итоговая концентрация 1 г/л), помещали в ту же зону объема ванны УЗВ6-0,063/37, то после получасового сеанса озвучивания, микроскопическим изучением ростовой поверхности Карреля и культуральной среды, размножения раковых клеток не обнаружено ни на поверхности Карреля, ни в культуральной среде.When a Carrel vessel with cancer cells in a fresh culture medium, but with the addition of 5 mg nc-Si (total concentration 1 g / l), was placed in the same zone of the ultrasonic bath volume UV-6-0.063 / 37, then after a half-hour dosing session, microscopic examination Carrel’s growth surface and culture medium, cancer cell proliferation was not found either on Carrel’s surface or in the culture medium.

Представленные выше данные могут означать, что клетки после озвучивания в присутствии nc-Si получили дефекты (повреждения), препятствующие их размножению (пролиферации).The data presented above may mean that the cells after voicing in the presence of nc-Si received defects (damage) that impeded their reproduction (proliferation).

В пользу предположения о наличии дефектов свидетельствуют также измеренные распределения озвученных культур по фазам клеточного цикла.The assumption of defects is also supported by the measured distribution of voiced cultures over the phases of the cell cycle.

На фиг.3 представлено распределение числа клеток рака легкого человека по фазам клеточного цикла в контрольной группе до УЗ-воздействия. Здесь G1 - клетки с диплоидным набором хромосом (G1 фаза клеточного цикла), G2 - клетки с тетраплоидным набором хромосом (G2+M фазы клеточного цикла).Figure 3 shows the distribution of the number of lung cancer cells in the phases of the cell cycle in the control group before ultrasound exposure. Here G1 are cells with a diploid set of chromosomes (G1 phase of the cell cycle), G2 are cells with a tetraploid set of chromosomes (G2 + M phases of the cell cycle).

На фиг.4 представлено распределение числа клеток рака легкого человека по фазам клеточного цикла в контрольной группе после УЗ-воздействия.Figure 4 presents the distribution of the number of lung cancer cells in the phases of the cell cycle in the control group after ultrasound exposure.

На фиг.5 представлено распределение числа клеток рака легкого человека по фазам клеточного цикла в испытуемой группе (с добавлением nc-Si) после УЗ-воздействия.Figure 5 shows the distribution of the number of lung cancer cells in the phases of the cell cycle in the test group (with the addition of nc-Si) after ultrasound exposure.

Можно заметить, что график на фиг.4 почти полностью соответствует исходному графику распределения, представленному на фиг.3.You can see that the graph in figure 4 is almost completely consistent with the original distribution graph presented in figure 3.

В то же время на графике фиг.5 хорошо видны искажения стандартного распределения, которые появляются после озвучивания культуры в присутствии nc-Si.At the same time, the graph of FIG. 5 clearly shows the distortions of the standard distribution that appear after sounding the culture in the presence of nc-Si.

Принципиально, эти отклонения могут быть вызваны кавитацией или какими-либо другими процессами, инициируемыми nc-Si и воздействием УЗ.Fundamentally, these deviations can be caused by cavitation or some other processes initiated by nc-Si and the action of ultrasound.

Возникновение кавитации вблизи клеток механически срывает их с поверхности субстрата и уничтожает (насильственная гибель клеток). Однако у оставшихся клеток не выявлено при этом повреждений (о чем говорит последующий рост культуры и фазовый состав).The occurrence of cavitation near the cells mechanically breaks them off the surface of the substrate and destroys them (violent cell death). However, no damage was detected in the remaining cells (as evidenced by the subsequent growth of the culture and phase composition).

Присутствие nc-Si увеличивает эффективность насильственной гибели клеток.The presence of nc-Si increases the effectiveness of violent cell death.

При этом сочетанное действие nc-Si и УЗ вызывало повреждения клеток, которые инициируют гибель клеток по механизму апоптоза.In this case, the combined action of nc-Si and ultrasound caused damage to cells that initiate cell death by the apoptosis mechanism.

С учетом полученных in vivo и in vitro экспериментальных данных рассмотрим вариант реализации предлагаемого способа, ни в коей мере не ограничивающий другие варианты его реализации.Taking into account the experimental data obtained in vivo and in vitro, we consider an implementation option of the proposed method, which in no way limits other options for its implementation.

До ультразвукового облучения в кровеносную систему организма вводят водный раствор кремниевых нанокластеров размером 1-5 нм в дозах 10-30 мг/кг. С учетом известных данных о скорости транспорта вещества в кровеносной системе ультразвуковое облучение раковых тканей производят не ранее чем через 1 час и не позднее чем через 4 часа после введения раствора. Ультразвуковое облучение производят в течение 1 часа непрерывным озвучиванием раковых тканей.Before ultrasonic irradiation, an aqueous solution of silicon nanoclusters of 1-5 nm in doses of 10-30 mg / kg is introduced into the circulatory system of the body. Taking into account the known data on the speed of transport of a substance in the circulatory system, ultrasound irradiation of cancer tissues is carried out no earlier than 1 hour and no later than 4 hours after the introduction of the solution. Ultrasonic irradiation is carried out for 1 hour by the continuous sounding of cancerous tissues.

В качестве ультразвукового преобразователя может быть использован пьезокерамический преобразователь с амплитудой давления на поверхности 2-4 МПа и с интенсивностью в фокусе 5-7 Вт/см², работающий в диапазоне 2-4 МГц.As an ultrasonic transducer, a piezoceramic transducer with a pressure amplitude on the surface of 2-4 MPa and with an intensity in focus of 5-7 W / cm ² operating in the range of 2-4 MHz can be used.

Также могут быть использованы пьезокомпозитные преобразователи, состоящие из маленьких пьезокерамических преобразователей, пространство между которыми заполнено полимерным материалом [1].Piezocomposite transducers, consisting of small piezoelectric transducers, the space between which is filled with polymeric material, can also be used [1].

Таким образом, полученные в экспериментах in vitro данные свидетельствуют об эффективности предложенного способа разрушения раковых клеток при использовании ультразвуковой гипертермии и введенных в них кремниевых нанокластеров.Thus, the data obtained in in vitro experiments indicate the effectiveness of the proposed method for the destruction of cancer cells using ultrasound hyperthermia and silicon nanoclusters introduced into them.

Источники информацииInformation sources

1. М.Р.Брейли, В.А.Хохлова и др. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань. Акустический журнал, т.49, №4, 2003. 437-464.1. M.R.Brailly, V.A. Khokhlova et al. Physical mechanisms of the effect of therapeutic ultrasound on biological tissue. Acoustic Journal, vol. 49, No. 4, 2003. 437-464.

2. L.T.Canham. Nanoscale semiconducting silicon as a nutritional food additive. Nanotechnology 18. 2007. 185707-6.2. L.T. Canham. Nanoscale semiconducting silicon as a nutritional food additive. Nanotechnology 18. 2007. 185707-6.

3. E.E.Connor, J.Mwamuka, A.Gole, C.J.Murphy, M.D.Wyatt. Gold nanoparticles are taken up by human cells but do not cause acute cytotoxicity. Small 1. 2005. 325-327.3. E. E. Connor, J. Mwamuka, A. Gole, C. J. Murphy, M. D. Wyatt. Gold nanoparticles are taken up by human cells but do not cause acute cytotoxicity. Small 1. 2005. 325-327.

4. M.C.Garnett, P.Kallinteri. Nanomedicines and nanotoxicology: some physiological principles. Occup. Med. 56. 2006. 307-311.4. M.C. Garnett, P. Kallinteri. Nanomedicines and nanotoxicology: some physiological principles. Occup. Med. 56.2006.307-311.

5. J.Wang et al. Acute toxicity and biodistribution of differently sized titanium dioxide particles in mice after oral administration. Toxicol. Lett. 168. 2007. 176-185.5. J. Wang et al. Acute toxicity and biodistribution of differently sized titanium dioxide particles in mice after oral administration. Toxicol. Lett. 168. 2007.176-185.

6. А.Д.Дурнев, A.C.Соломина и др. Исследование генотоксической и тератогенной активности нанокристаллов кремния. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, т.148. №4. 2010. 429-433.6. A.D. Durnev, A.C. Solomina et al. Study of the genotoxic and teratogenic activity of silicon nanocrystals. Bulletin of Experimental Biology and Medicine, vol. 148. Number 4. 2010.429-433.

Claims (1)

Способ усиления действия ультразвука при лечении гипертермией опухолевых тканей, включающий адресную локализацию нагрева клеток опухолевых тканей и их механическое повреждение, для чего в опухолевую ткань посредством кровотока вводят водный раствор кремниевых нанокластеров. A method of enhancing the action of ultrasound in the treatment of tumor tissue hyperthermia, including targeted localization of the heating of tumor tissue cells and their mechanical damage, for which an aqueous solution of silicon nanoclusters is introduced into the tumor tissue through the bloodstream.

Images