Давайте представим, что вы находитесь в абсолютно тёмной комнате и у вас есть абсолютно конкретная благородная цель – помочь своей маленькой сестрёнке найти её друга – плюшевого мишку, которого она забыла там днем, заигравшись. Какие действия вы предпримите?

Наверное, вы самоотверженно призовёте на помощь соматосенсорную систему своего организма, которая позволит вам найти предмет на ощупь по его форме и типу материала, из которого он сделан. Как бы вы не старались, но вы всё равно потратите как минимум 5 минут на поиски, да ещё и не факт, что вы найдёте именно мишку, так как у вас может быть выбор среди нескольких слишком похожих игрушек. Но вашей сестрёнке так страшно, что ей непременно нужен именно её любимый плюшевый мишка сейчас и ни минутой позже!

Как оптимизировать ваши действия и ускорить поиски? Абсолютно верно: взять фонарик, который лежит у вас в правом кармане, и о существовании которого вы сначала забыли. Вы направляете свет постепенно из угла в угол и меньше чем через минуту видите желаемый объект в куче других игрушек.

Эта простая, на первый взгляд, идея «фонарика» лежит в основе инновационной методики по удалению злокачественных опухолей. Хирург может удалять опухоль на ощупь, используя свою сенсорную систему, то есть чувствовать определенное уплотнение в органе и вырезать его. Но сколько здоровых участков будет повреждено, а самое главное, сколько поражённых участков может быть пропущено! Это может привести к возвращению болезни.

Чтобы найти то, что хирург ищет, ему крайне необходимо иметь «фонарь». Но обычный фонарь не поможет врачу увидеть ни раковых клеток, ни поражённых участков. В таком деликатном деле нужен именно «химический фонарь». Наверняка, с одним из них вы встречались.

Итак, первый вид «химического фонаря» – молекулы, которые излучают свет, на научном языке – флуоресцируют. Явление флуоресценции вы могли наблюдать в браслетах, которые светятся в темноте (рис. 1, а). Они состоят из пластиковой оболочки, раствора флуоресцентного красителя и капсулы с перекисью водовода.

Вспомните, браслеты начинают излучать свет, когда вы их превращаете из прямой палочки в окружность, тем самым ломая капсулу с перекисью водовода(H₂O₂), которая находится внутри. Высвобожденный пероксид водорода вступает в химическую реакцию с органическим соединением, образовывая углекислый газ (СO₂) и энергию, которая поглощается молекулами красителей. При этом молекула переходит в возбуждённое состояние, а возвращаясь назад в основное состояние, теряет лишнюю энергию в виде фотонов.

Другими словами, молекулы излучают свет определённой длины волны – флуоресцируют. Длина излучённой волны (λ) зависит от структуры красителя и определяет цвет света (рис. 1, б, в)). Причём, цвет красителя и цвет флуоресценции совпадать не будут.

Если, например, молекула красителя жёлтого цвета, то свет, который она излучает, будет приближаться к голубому, если молекула ярко-оранжевого цвета (красители моркови), то флуоресценция будет зеленого цвета.

Флуоресценция может возникать не только посредством химических превращений, так называемая хемилюминесценция, но и как следствие действия на вещество высокоэнергетического, коротковолнового излучения ультрафиолетового диапазона (≤ 450 нм), так называемая фотолюминесценция.

Проявление фотолюминесценции для определения размещения раковых клеток было впервые применено во время операции на яичнике в 2011 году. Давайте подумаем, как именно могли развиваться события. Итак, молекулы флуоресцентного красителя должны были попасть в организм и подсветить участки с раковыми клетками. Первую часть плана реализовать просто: инъекция красителя внутривенно способствует быстрому разнесению вещества кровью по всему телу.

Но как же заставить светиться именно раковые клетки, а не весь организм? Тут следует сконцентрироваться на разнице между раковыми и нормальными клетками. Что мы точно знаем, так это то, что раковые клетки намного быстрее размножаются, чем здоровые, а для этого им необходимы в большем количестве питательные вещества и энергия.

Одним из питательных веществ, которое раковая клетка поглощает в больших количествах, является фолиевая кислота – водорастворимый витамин. Для того, чтобы попасть в клетку, на последней должны быть размещены специальные образования, которые распознают именно фолиевую кислоту, связываются с ней и переносят во внутреннее пространство клетки. Такие образования называются рецепторы.

Похожим образом и другие, необходимые клетке вещества попадают внутрь. Молекулы красителя не являются необходимыми клетке, они – «чужие», и потому не распознаются ею, и, соответственно, не могут попасть по ту сторону мембраны.

Зная этот факт, учёные перехитрили раковую клетку. Для того чтобы понять, как именно, представьте следующий случай. Ваш домашний питомец, например, щенок, заболел, и вам нужно дать ему таблетку. Понятное дело, что она сама по себе невкусная, а вот если её растереть и поместить в кусок качественной колбасы, то поглощение и того и другого произойдёт быстро и с большим удовольствием.

Животное распознаёт вещи по запаху, а клетка – по форме. Таким образом, учёные связали фолиевую кислоту (кусок колбасы) с молекулой красителя (крошками таблетки) и запустили в кровоток за два часа до операции (рис. 2, а). Рецепторы распознали фолиевую кислоту по форме, связались с ней и поглотили вместе с молекулой-гостем.

Направляя ультрафиолетовый свет на воспалённый орган, хирург мог чётко видеть зоны скопления раковых клеток, которые надо удалить (рис. 2, б). Во время той операции было найдено и удалено 34 поражённые зоны!

На рисунке 2, б изображены ткани половой железы – яичника, на котором проводят операцию. В правом верхнем углу изображение этих же тканей в ультрафиолетовом свете (в реальном времени). Зелёным цветом отображено клетки, которые поглотили флуоресцентную метку, изображённую на рис. 2, а. Соответственно, участки, которые светятся зелёным – это скопления раковых клеток, которые необходимо удалить хирургу во время операции.

При диагностике рака без нанесения вреда кожному покрову нам будет полезна другая разновидность «химического фонаря». Флуоресцентные молекулы, которые мы использовали при проведении операции по удалению поражённых участков в органе, здесь будут бессильны, так как вода, кровь, жиры и кожа мешают проникновению света, и картинка «плюшевого мишки» становится размытой, так вроде фонарь включили, а очки для улучшения зрения не одели.

Новый вид «химического фонаря» появился вместе с методом позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Без паники! Это только название сложное! Метод даёт возможность заглянуть внутрь организма, с нанесением ему минимального вреда.

Что же лежит в его основе? Принцип работы такой же, как и в случае мечения раковых клеток флуоресцентными красителями: вещества, которые излучают свет необходимо доставить к цели – раковым клеткам. Только теперь роль «фонаря» играет молекула, в состав которой входит радиоактивный изотоп, который распадаясь, излучает позитроны.

При взаимодействии с электронами соседних тканей они превращаются в высокоэнергетические частицы – гамма-фотоны, для которых не имеет значения толщина слоя проникновения. Образовавшиеся фотоны регистрируются прибором – ПЭТ-сканером. Часто в роле носителя изотопа выступает приманка, которая даёт клеткам энергию для быстрого размножения – глюкоза.

Как уже было отмечено, в методе позитронно-эмиссионной томографии используется радиоактивный изотоп, который при бета-распаде образовывает позитрон – античастичку электрона. Среди ядер, склонных к бета-распаду, фтор [¹⁸F] является одним из наиболее подходящих для ПЭТ. Его прочная ковалентная связь с другими атомами позволяет не потерять его по дороге и донести к цели, а маленький период полураспада – 109.74 минуты – позволяет организму избавиться от большего его количества уже через несколько часов.

Таким образом, глюкоза, имеющая в своём составе [¹⁸F] (2-фтор[¹⁸F]-2-дезокси-D-глюкоза) является ещё одной разновидностью «химического фонаря», что позволяет видеть организм изнутри (рис. 3).

ПЭТ интенсивно развивается, и сейчас существует новый поход к определению присутствия раковых клеток в организме для детектирования и уничтожения болезни на ранней стадии. Дело в том, что каждая группа клеток на своей поверхности содержит белки или полисахариды, которые отличают её от других. Клетки нашего организма – «свои», а раковые клетки, клетки бактерий и клетки патогенных организмов – «чужие».

Наша иммунная система борется с «чужестранцами», производя антитела – вещества, которые способны связываться с полисахаридами и белками на поверхности клеток патогенов (антигенами) и запускать иммунный ответ организма, уничтожая их.

Например, вакцинация – это введения в организм полуживых клеток бактерий, провоцирующее его на создание антител. Соответственно, когда активные бактерии данного вида попадают в организм, он готов к атаке и сразу убивает «чужестранцев».

Каждый тип раковых клеток также содержит свой определенный набор белков и полисахаридов на поверхности. Химико-биологический анализ поверхности клетки позволяет искусственно создать антитела для конкретного вида клеток, связать их с «фонарём» и ввести в кровоток. Последующий ПЭТ скан позволяет с высокой точностью определить положение раковых клеток данного вида, размеры опухоли и подобрать эффективную терапию.

Одной из основных проблем ПЭТ является его дороговизна, она вызвана в основном временем жизни радиоактивного изотопа. Для [¹⁸F] время полураспада составляет всего лишь 109.74 минуты! И начиная от момента получения изотопа, у нас остается меньше двух часов для того, что провести диагностику.

Но, представьте себе, что за это время нам необходимо провести химическую реакцию по введению изотопа в будущую молекулу-фонарь, доставить препарат в клинику, поскольку далеко не каждое лечебное заведение может обеспечить себя ещё и штатом ученых, которые будут производить необходимые препараты для каждого пациента, и только после этого ввести препарат в кровоток и зафиксировать центры его накопления.

Исходя из этого, становится понятным, что препарат не может сберегаться, его нельзя купить в аптеке! Сейчас в США приблизительно в радиусе 20–40 км находится один центр, который производит необходимые препараты и развозит их во все клиники данной территории.

Для того, чтобы сделать процесс производства маркера («фонаря») менее затратным, физики, химики и биологи активно работают над созданием машины-робота, которая будет иметь размеры домашнего принтера и сможет сама создавать необходимые препараты в каждой больнице, а врач будет только нажимать кнопочки. Описания первых таких роботов уже есть в научных публикациях.

Друзья, наука не стоит на месте! Пока вы читали статью, могли уже запустить в режиме тестирования машину-робот или изобрести новый тип «химического фонаря». У нас с вами куча интересной работы. Вперёд! Погружаемся в водоворот научных событий! Только не забывайте свои фонари – знания, которые позволяют вам видеть в абсолютной темноте!

Словарь
Изотопы – разновидность атомов одного химического элемента, которые имеют разное количество нейтронов в ядре.
Патоген или инфекционный агент – биологический агент, который попадая в другой организм, вызывает в нём болезнь.

Елена Кулешова, аспирантка химического факультета университета имени Тараса Шевченко