Наиболее популярны стёкла, состоящие из оксида кремния (известного всем на примере песка) и оксидов щелочных и щелочноземельных металлов (натрия, кальция, магния и других), но есть и миллиарды других химических составов стёкол. Подробнее об этом можно послушать в моей радиолекции, а здесь я хочу обратить ваше внимание на то, что даже один правильно подобранный состав стекла может оказать колоссальное влияние на медицину и здоровье миллионов людей.
Лекарства с доставкой
Современная медицина постоянно повышает эффективность лечения разными способами – от новых устройств диагностики до новых лекарств. Среди всех этих новаций один из самых эффективных способов – так называемая адресная доставка лекарственных средств. Учёные стараются придумать такие лекарства, которые бы сами находили больной орган и лечили его локально.
Наиболее известный тип таких лекарств – специальные наночастицы, внутри которых находятся активные вещества. Наночастицы снабжены химическими рецепторами и могут проникать непосредственно в очаг заболевания, постепенно растворяться и выделять лекарство. Такой тип «доставки» лекарств является основным путём развития методов лечения рака, он особенно эффективен для опухолей, которые невозможно удалить хирургическим путём.
При обычных методах химиотерапии пациенту вводят в организм большое количество агрессивных лекарств, которые распространяются по всему организму и разрушают раковые клетки. Однако вместе с раковыми клетками разрушаются и здоровые клетки, поэтому химиотерапия негативно сказывается на общем состоянии пациента. Когда же лекарства вводят адресно, то воздействия на здоровые клетки не возникает.
Помимо химиотерапии («химического» лечения рака), также используется радиотерапия – облучение заражённых органов потоком высокоэнергетических частиц («радиацией»). Мощное излучение, которое поглощается раковыми клетками, приводит к их разрушению и уменьшению размеров опухоли. Однако и здесь возникает проблема избирательности: при облучении поражённых органов здоровые клетки тоже гибнут, что также отрицательно отражается на здоровье пациентов.
Для решения этой проблемы используется адресная доставка радиации: в организм вводят нано- или микрочастицы, которые обладают радиоактивностью. Они накапливаются возле опухоли и разрушают раковые клетки, практически не вредя здоровым. Для разных опухолей применяются различные форматы таких микрочастиц, например для лечения рака предстательной железы используются титановые капсулы, которые врачи помещают вблизи опухоли, в капсулах находится радиоактивный йод – изотоп I-135, который облучает раковые клетки.
Для лечения рака печени, который является одним из самых распространённых разновидностей рака, применяется другой радиоактивный изотоп – иттрий-90 (Y-90). Микроисточники, содержащие Y-90, вводятся в организм через катетер (тонкую трубку, проходящую через сосуды), а затем с током крови «доплывают» до печени, застревая в самых узких сосудах и облучая раковые клетки, будто бы маленькие вайфай-роутеры. Период полураспада Y-90 составляет 64,1 ч, за это время иттрий успевает «раздать» большую часть своего радиоактивного потенциала, превращаясь затем в безвредный атом циркония.
При чём здесь стекло?
При изготовлении микроисточников с Y-90 большое внимание уделяется тому, чтобы ионы этого активного изотопа не попадали в кровь, оставаясь внутри материала источника. Первыми материалами для «доставки» Y-90 в организм были микросферы из полимеров, содержащих иттрий. Полимерные микросферы облучали в микрореакторах, и стабильный изотоп иттрия Y-89 переходил в радиоактивный Y-90. Однако последующие исследования показали, что когда полимерные микросферы попадают в кровь, то они начинают медленно растворяться, выделяя радиоактивный иттрий в организм. А это, как вы понимаете, очень нежелательно… Такие неутешительные результаты на время даже заморозили исследования по этой теме, но на помощь пришло стекло.
В конце XX века канадские исследователи предложили использовать вместо полимеров химически стойкое стекло, которое не будет растворяться в среде организма и при этом будет содержать в своём составе достаточное количество иттрия.
Для этих целей учёные создали стекло, состоящее из трёх компонентов: оксидов кремния и алюминия (SiO2 и Al2O3), которые обеспечивают высокую химическую стойкость, а также оксида иттрия (Y2O3). Стекло такого состава синтезируется при высоких температурах – больше 1600 градусов Цельсия, что значительно выше, чем температура варки обычных стёкол в промышленности.
Полученное стекло измельчают, делая из него порошок, а затем превращают в микросферы: оплавляют порошок стекла при высокой температуре, и частицы под действием сил поверхностного натяжения принимают сферическую форму. Для того чтобы микросферы проходили через большие сосуды и застревали в маленьких, их делают средним размером 25–30 микрон (в 2 раза тоньше человеческого волоса).
Как доставить микросферы по адресу?
Активированные в реакторе микросферы подаются через катетер в область печени, где находится опухоль, и эмболизируют («закупоривают») тонкие сосуды. Радиоактивное излучение, исходящее от микросфер, разрушает раковые клетки, при этом расстояние, на которое распространяется излучение, не очень большое, поэтому здоровые клетки не задеваются. Визуализацию этого процесса можно посмотреть в этом видео, а здесь запись реальной операции по доставке таких микросфер.
Спустя несколько дней микросферы перестают быть радиоактивными и остаются в мелких сосудах печени. Количество таких микросфер небольшое – порядка 0,1–0,2 грамм, при этом из-за высокой химической стойкости они не растворяются и никак не влияют на состояние организма, поэтому после операции человек продолжает жить с небольшим количеством стекла в печени. Часто введение стеклянных микросфер с иттрием позволяет уменьшить размеры опухоли, сделав её более удобной для последующей операции, либо полностью уничтожить опухоль.
В конце хочу добавить, что долгое время такие микросферы не производились в России, поэтому были доступны только в виде готового лекарственного препарата под заказ, с доставкой из Канады и других стран, поэтому стоимость одной операции была чрезмерно высокой. Мои коллеги, учёные кафедры стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева разработали и запатентовали оригинальные химические составы и технологию производства иттриевых микросфер, и сегодня наш университет успешно поставляет такие шарики российским компаниям, которые уже создают из них радиофармпрепараты (то есть облучают их в реакторе для дальнейшей доставки к опухоли).
Стоимость этих препаратов теперь значительно ниже, российские врачи уже начали проводить операции с отечественными микросферами, и есть все предпосылки к тому, что такие операции в скором времени станут доступны всем жителям нашей страны. Подробнее об операциях, которые проводят российские врачи в Медицинском радиологическом научном центре имени А. Ф. Цыба, можно почитать тут, а мировая история развития микросфер для лечения рака хорошо описана в этой статье.
Иллюстрация: Елена Рюмина
