Для победы над раком: ученые создали теорию «коллективного поведения» наночастиц

11:34, 19 декабря 2018

Эксперимент на суперкомпьютере проводят российские и британские исследователи

«Коллективное поведение» наночастиц дает особый эффект, показали исследования. Фото: Kateryna Kon/Shutterstock.com

Проведенный учеными Уральского федерального университета совместно с коллегами из Эдинбурга компьютерный эксперимент показал, что описывать поведение магнитных наночастиц, обеспечивающих нагрев клеток, суммой реакций каждой из них неверно: частицы постоянно взаимодействуют, их «коллективное поведение» дает особый эффект. Результаты работы исследователи представили в журнале Physical Review E.

«Метод компьютерного моделирования дешевле лабораторных исследований, и нам известны все параметры каждой частицы и все воздействующие факторы», — рассказывает профессор УрФУ Алексей Иванов.

В исследовании магнитные частицы — частицы магнитных материалов размером в сто раз меньше самого тонкого человеческого волоса — рассматривали как незаменимый участник процесса лечения рака, когда опухоль локально нагревают, параллельно проводя химиотерапию.

«Воздействуя на частицы внешним магнитным полем, можно „транспортировать“ лекарства точно к определенному участку организма, — объясняет Иванов. — Если поместить такие частицы в специальное вещество, избирательно поглощаемое раковыми клетками, рентген даст контрастную картину ткани, пораженной опухолью».

Переменное магнитное поле, формирующееся источником переменного электрического тока, поглощает энергию и заставляет частицы вращаться быстрее и тем самым обеспечивать нагрев. Интенсивность отклика частиц зависит от разных факторов: мощности излучателя магнитного поля, частоты его вращения, размеров наночастиц, сцеплений их друг с другом и так далее.

Профессор УрФУ и его коллега профессор Эдинбургского университета Филип Кэмп с помощью моделирования процесса на компьютере прогнозируют реакцию целого «коллектива» магнитных наночастиц на внешний источник магнитного поля той или иной мощности и частоты. Российский ученый отвечал за теоретическое обоснование эксперимента, шотландский — за его практическое исполнение на суперкомпьютере. Работа поддержана грантом РНФ.

В соответствии с классической теорией Дебая 1923 года «коллективное поведение» частиц описывается суммой реакций каждой из частиц, сложенных в «ансамбль». Компьютерные эксперименты привели Иванова и Кэмпа к предположению, что это неверное представление: частицы постоянно взаимодействуют, влияют друг на друга и их «коллективное поведение» дает особый эффект и не сводится к сумме «индивидуальных» реакций.

«При определенной частоте переменного магнитного поля происходит резонанс — максимальный отклик наночастиц, максимальное поглощение энергии ими и, следовательно, максимальное нагревание, — добавляет Иванов. — В результате компьютерного эксперимента мы выявили два таких максимума — для больших и малых частиц, для сред с преобладанием первых и вторых. Если бы мы применили формулы Дебая при расчете периода и интенсивности локального нагрева опухоли, то дали бы противоположный прогноз и необходимого наилучшего эффекта не получили. Наша модель показывает, что в сравнении с классической формулой Дебая максимумы нагрева должны быть на порядок меньше, а получаемый при этом эффект — в два раза больше».

Теперь Алексей Иванов и его коллеги из немецкого Брауншвейгского технического университета планируют сделать серию лабораторных экспериментов, чтобы подтвердить теорию.