Вычислительный центр ДВО РАН (г.Хабаровск)

Эта статья опубликована сборнике научных трудов "Фундаментальные науки и практика" с материалами Третьей Международной Телеконференции "Проблемы и перспективы современной медицины, биологии и экологии" - Том 1 - №4. - Томск - 2010.

 

Современная онкология невозможна без углубленных радиологических и биофизических исследований для создания медицинских нанотехнологий и средств нанодиагностики. Получаемые при этом большие объемы информации и высокая размерность задач требуют разработки новых универсальных математических подходов к их типизации, стандартизации и формализации методов анализа и интерпретации результатов исследований. Реальная совместная деятельность математиков, физиков, химиков и специалистов в области суперкомпьютеров, программирования и информатики в сфере нанотехнологий для задач клинической онкологии только начинается.
Как известно, лишь незначительное количество драгоценных металлов используется именно для медицинских целей, а золото принесет огромную пользу с применением его именно в коллоидной форме. Коллоидное золото представляет собой коллоидный раствор сверхмалых частиц золота в деминерализованной воде. Частицы золота несут одноименный заряд и находятся в воде во взвешенном состоянии. Диаметр частиц составляет около одной миллиардной метра [Губин С.П., Кокшаров Ю.А. и др.,2008]. Никаким механическим или любым другим способом невозможно измельчить золото до столь малой величины. В природе лишь растения могут накапливать золото, размеры частиц которого так же малы, как и в коллоидном золоте. Этот процесс аналогичен процессу накопления железа. Растения извлекают из почвы металлическое железо, которое организм не может усваивать, и трансформируют его в ионную или коллоидную форму, в которой железо может усваиваться организмом человека. Размеры частиц настолько малы, что могут оставаться во взвешенном состоянии в чистой воде неограниченное время (коллоид). Коллоидное золото получают при помощи высокотехнологичного электроколлоидного метода или электролиза, при котором очищенная (тройной деионизации) вода пропускается над поверхностью чистого (0,999) золота, находящегося под током высокой частоты и высоким напряжением. Ионы золота с поверхности чистого золота переходят в воду, которая затем обрабатывается озоном (кислородом) и пропускается через мощное магнитное поле. В результате получается чистое золото в чистой воде [Гусев А.И., 2005; Губин С.П., Кокшаров Ю.А. и др., 2008].
В доступной медицинской литературе приводится неполный перечень заболеваний, при которых успешно применялось коллоидное золото: нарушение функций головного мозга, нарушение функций системы кровообращения, депрессивные состояния, наркомании, хронический алкоголизм, артриты, ожоги, простудные заболевания, расстройство пищеварительной системы, нарушение функций желез внутренней секреции, нарушение механизмов терморегуляции, ожирение, колотые раны и т.п. [www.popmech.ru/nanolekarstvo]. В последнее время появились публикации об использовании коллоидного золота в онкологии: коллоидное золото оказывает ингибирующее действие на раковую опухоль; и даже если диагностические методы со временем значительно усовершенствуются, вероятно, всегда найдутся сотни пациентов, которые будут оттягивать посещение своих лечащих врачей до тех пор, пока хирургическое вмешательство окажется уже невозможным. Для того чтобы обеспечить максимальный эффект при лечении коллоидным золотом злокачественных новообразований рекомендуется выполнять следующие условия: препарат должен стабильным, с точно известной концентрацией, а размер частиц содержащегося в нем золота должен быть достаточно малым и примерно одинаковым. Золото не должно поддерживаться во взвешенном состоянии за счет стабилизаторов, например, такого как гуммиарабик, или растворимых солей золота, таких как хлорид золота. Стабилизаторы, по-видимому, обволакивают частицы золота, снижая активность коллоидного золота [Гусев А.И., 2005]. Более того, растворимые соли золота токсичны, в то время как чистое коллоидное золото в соответствующих дозах нетоксично. последние достижения в области взаимодействия биомакромолекул и наночастиц, уделяя особое внимание контролю биомакромолекулярной структуры и функционирования с помощью создаваемых взаимодействий с поверхностями наночастиц. Распознавание биомакромолекулярных поверхностей искусственными рецепторами обеспечивает возможность регулирования биомакромолекулярных взаимодействий, включая взаимодействия: белок-углевод, белок-белок, и белок-нуклеиновая кислота. Такое распознавание может служить инструментом контролирования клеточных и внеклеточных процессов для терапевтических применений, а также открывать новые направления для биологического контроля параметров и клинической диагностики. Основное внимание в целом ряде недавно опубликованных обзорных статей о взаимодействиях наночастиц и биомакромолекул было уделено либо биологическому, либо диагностическому применениям. Уделяется основное внимание последним достижениям в области использования поверхностей наночастиц для распознавания ДНК и белка. В то время как биомакромолекулы, такие как нуклеиновая кислота и белки, были пересажены на наночастицы для контролируемого изменения поверхностей и создания новых приборов, мы в настоящем обзоре останавливаемся на использовании наночастиц с защитным монослоем, используемых в качестве многовалентных рецепторов. В частности, рассматривается нековалентное взаимодействие биомакромолекулы и наночастицы с точки зрения изменения структуры и функции биомакромолекул [Гусев А.И., 2005].
Наши исследования в области нанотермолизиса развивают на новой методологической основе эти актуальнейшие исследования свойств золотосодержащих наночастиц под воздействием высокочастотных электромагнитных и ультразвуковых полей в биологических тканях живых организмов. Цель комплексных исследований заключается в определении тепловых свойств золотосодержащих наночастиц, характерный размер которых лежит в интервале 30-150 нм, подвергнутых воздействию высокочастотных электромагнитных и ультразвуковых полей в биологических тканях живых организмов. Методы исследования, помимо необходимых биофизических экспериментов, включают математическое и виртуальное информационное моделирование селективного нагрева золотосодержащих наночастиц под воздействием разнообразных физических полей в биологических тканях живых организмов. При этом разрабатываются как теоретические, так и методологические подходы к созданию математических моделей, алгоритмического, программного и информационного обеспечения для исследований тепловых свойств коллоидного золота, подвергаемого воздействию высокочастотных электромагнитных и ультразвуковых полей. В ходе исследований разработаны оригинальные математические методы исследования параметров нанотермического лизиса опухолевых клеток in vitro и in vivo, индуцированного наночастицами золота в физических полях различной природы. Это дает возможность определять оптимальные параметры нагрева золотосодержащих наночастиц в вышеуказанных физических полях для терапии онкологических заболеваний, выработаны научные рекомендации по разработке новых методов лечения онкологических заболеваний посредством применения селективного нагрева золотосодержащих наночастиц в биологических тканях живых организмов [Changbin Zhang, Demenev V.A. et al.,2010].
Было установлено, что опухолевые клетки более чувствительны к гипертеримическому воздействию в сравнении с нормальными клетками вследствие повышенного метаболизма. В экспериментах и на клинических случаях известно сокращение размеров опухолей после теплового воздействия, индуцированного микроволновым излучением, ультразвуковыми и УВЧ-излучением [Косых Н.Э.. Савин С.З. и др., 2008; Косых Н.Э.. Кривошеев И.А. и др., 2008]. Однако терапевтический эффект возникает только при высокой мощности воздействия, что порождает гипертермические эффекты в окружающих тканях. Планируется  в перспективе все более широкое исследование возможностей использования наночастиц иммуноколлоидного золота в качестве твердофазных включений в поверхностные мембраны опухолевых клеток в качестве концентраторов энергии физических полей различной природы (в постоянном магнитном поле высокой напряженности в сочетании наложения векторов переменного магнитного поля с возникновением вихревых токов, при воздействии ультразвукового излучения и ультравысокочастотного электромагнитного излучения поле) с последующим кратковременным нагревом частиц коллоидного золота до 70–900С. Локальный нагрев гранул коллоидного золота, иммобилизованного на внешних и внутренних мембранах опухолевых клеток может стимулировать денатурацию белков мембран, разрушение структурных липидов мембран и цитоскелета и, как следствие - повышение мембранной проницаемости, что приводит к дисфункции клеточного метаболизма и развития ацитоза или апоптоза опухолевых клеток. Иммуноколлоидное золото в наших исследований представляет собой стабильный комплекс, образованный электронно-плотными частицами золота и иммуноглобулинов различных классов. Возможно получение частиц коллоидного золота различных размеров путем восстановления золотохлористоводородной кислоты с использованием белого фосфора (диаметр от 5 до 12 нм), таниновой кислоты (диаметр ≈ 8 нм) и цитратом натрия (диаметр от 15 до 100 и более нм). При соответствующих рН и концентрации гранулв коллоидного золота нековалентно и электростатично связываются с молекулами различных белков, в том числе с иммуноглобулинами. Это взаимодействие стабильно и не влияет на биологическую активность белков. С одной стороны, иммуноглобулины обеспечивают специфическое связывание иммуноколлоидного золота с соответствующими комплементарными антигенными структурами, в том числе и на поверхности клеточных мембран. С другой стороны, наноразмеры гранул иммуноколлоидного золота обеспечивают высокую проницаемость в органах и тканях  и точечную привязку к антигенным эпитопам поверхностных мембран клеток. Используя конъюгаты гранул коллоидного золота и моноклональных антител к  антигенам опухолевых клеток, можно достигнуть их адресной доставки к опухолевым клеткам-мишеням и подвергнув нагреву, добиться нанотермолизиса мембранных структур клеток с последующим цитолизом. Для достижения температурных параметров гранул иммуноколлоидного золота и последующего терапевтического эффекта необходимо исследовать варианты воздействия физических полей различной природы на температурные характеристики гранул золота. С использованием методов световой и электронной микроскопии предполагается определить в эксперименте оптимальные параметры  и природу физических полей, размеры коллоидного золота, оптимальные концентрации иммуноколлоидного золота для достижения лизиса опухолевых клеток. В будущем исследования предполагается сконцентрировать на моделях in vivo с использованием в качестве модели  гепатомы мыши МГ22А (возможны другие модели гепатом) для определения тепловых эффектов наночастиц иммуноколлоидного золота на основе рассчитанных параметров их размеров и природы физических полей, в частности изучить параметры токсичности и безопасности конъюгатов  иммуноколлоидного золота, определение безопасных режимов терапевтических схем в эксперименте.
Эксклюзивной особенностью исследований по проекту РФФИ № 10-01-08006 является использование наряду с традиционными средствами математического моделирования, математической физики и вычислительной математики методов виртуального информационного моделирования (ВИМ) живых наноструктур [Золотов Е.В., Ионичевский В.А. и др., 1991]. Так, например, с позиций ВИМ многомерная числовая модель клетки (клеточная информационная система - КИС) представляет собой множество точек в замкнутом пространстве, аналогичная по форме своему прототипу. Каждая точка, помимо своих координатных значений, несет конечный набор числовой информации (числовой код), в той или иной степени характеризующей конкретную цитологическую область, которая соответствует данной точке. Между точками в замкнутом пространстве существует комплекс связей, распространяющихся на все пространство или только на отдельные его части. Особенностью КИС является стремление ее к максимальному структурному подобию конкретным частям клетки. Связи между отдельными точками также стремятся к соответствию связям между отдельными частями живой клетки. Вся совокупность точек с их информацией и связями между собой представляет многомерную информационную базу данных БД КИС, к которой могут обращаться те или иные компьютерные программы, ставящие своей целью прогнозирование и моделирование процессов в клетке. Создаваемая на базе высокопроизводительного вычислительного кластера система позволяет использовать принципиально новые возможности, которые предоставляют современные информационные технологии по сбору, накоплению, интерпретации, оперативному управлению большими объемами нанобиологических данных и решения многомерных задач математического моделирования по проблемам нанодиагностики, химиотерапии, радиологии и регенеративной клеточной терапии [Demenev V.A., Kosykh N.E. et al., 2010]. Это позволит осуществлять комплексные исследования, имитационное моделирование в реальном времени и дать корректный прогноз при принятии обоснованных решений для рационального и эффективного использования нанотехнологий для восстановления нормального функционирования организма.
Результаты исследований являются весьма актуальными для практической онкологии и нанодиагностики, а также могут быть полезны специалистам по математическому моделированию, системному анализу и биоинформатике, хирургам и врачам-онкологам, специалистам по лучевой диагностике и лучевой терапии, химиотерапевтам.  Внедрение результатов исследований процессов нанотермолизиса позволит существенно повысить эффективность лечения онкологических больных и имеет широкие перспективы в предупреждении и лечении иных социально значимых заболеваний.

 

Литература
1.    Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2005. 410 с.
2.    Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю. Магнитные наночастицы: методы получения, строение, свойства. М.: МГУ. 2008. 312 с.
3.    Золотов Е.В., Ионичевский В.А., Кондратьев А.И., Савин С.З. Информационное моделирование живых систем. Владивосток: Дальнаука, 1991, 280 с.
4.    Косых Н.Э., Савин С.З., Деменев В.А. Виртуальные информационные модели в задачах нанодиагностики социально значимых заболеваний // Труды международной конференции «Оптика кристаллов и наноструктур». Хабаровск: изд-во ДВГУПС, 2008. С. 97-99.
5.    Косых Н.Э.. Кривошеев И.А., Гостюшкин В.В., Савин С.З., Деменев В.А. Изучение параметров нанотермического лизиса опухолевых клеток, индуцированного наночастицами золота при воздействии физических полей различной природы // Материалы Международного форума по нанотехнологиям, Москва, 5-6 декабря 2008 г. Москва: Роснанотех, 2008. С.421-422.
6.    Changbin Zhang, Demenev V.A., Savin S.Z. Models of controlled nanothermolysis // Труды международной научно-практической конференции «Суперкомпьютеры: вычислительные и информационные технологии». Хабаровск, 30 июня – 2 июля 2010 г. Хабаровск: изд-во ТОГУ, 2010. С. 492-497.
7.    Demenev V.A., Kosykh N.E., Savin S.Z. Mathematical morphology method for nanothermolysis researches // Proc. of The First Russia and Pacific Conference on Computer Technology and Applications (RPC 2010). Vladivostok, Russia. 6-9 September, 2010.