Журнал неорганической химии, 2022, T. 67, № 9, стр. 1219-1224

ВВЕДЕНИЕ

Биологически активное стекло создано группой американских ученых в 1969 г. Стекло с соотношением компонентов (мас. %): SiO₂ – 45; Na₂O – 24.5; CaO – 24.5; P₂O₅ – 6 названо Bioglass 45S5. Оно считается остеокондуктивным, остеоиндуктивным и биодеградируемым. Влияние биостекла на рост и биоминерализацию клеток обеспечивается способностью осаждать на своей поверхности слой гидроксилированного карбоната апатита, идентичного минеральной фазе костной ткани [1–3]. Известна способность биостекол связываться с мягкими тканями [4]. В частности, было продемонстрировано, что биоактивные стекла и стеклокерамика могут быть использованы для регенерации широкого спектра мягких тканей [5–7].

Проводимые в настоящее время разработки новых продуктов для клинического применения способствуют расширению списка материалов, используемых в медицине, и созданию более перспективных их видов. Например, допирование биостекол различными металлами открывает новые возможности для их использования. В частности, допирование тяжелыми металлами, такими как висмут, вольфрам и тантал [8–10], делает их рентгеноконтрастными, что позволяет визуализировать процессы восстановления тканей.

В последнее время появились сообщения об использовании биостекол и стеклокерамики для лечения онкологических заболеваний методами гипертермии и брахитерапии. В первом случае допирование оксидами железа придает стеклам магнитные свойства, что позволяет использовать их для гипертермии [11–13], в результате которой с помощью внешнего магнитного поля локально в области злокачественного новообразования повышается температура. Этот внутренний источник тепла вызывает апоптоз в клетках опухоли, не повреждая здоровые окружающие ткани. Для брахитерапии онкологических заболеваний предложено использовать радиоизотопы, например, ¹³⁵Sm, ⁹⁰Sr и ⁹⁰Y, включенные в матрицу биорезорбируемых стекол [12]. Так, метод радионуклидной эмболизации стеклянными микросферами с радиоизотопом иттрия-90 предложен для лечения злокачественных опухолей печени и желчевыводящих путей [14]. Микросферы состоят из стекла диаметром 20–30 мкм, в котором в матрицу встроен изотоп ⁸⁹Y. Перед процедурой эмболизации иттрий-89 в ядерном реакторе активируется нейтронами до иттрия-90. Микросферы с ⁹⁰Y вводят точно в артерии, питающие новообразование, и по капиллярам они попадают в ложе опухоли. Радиоизотоп создает внутри опухоли высокую дозу облучения (120–200 Гр) при относительно небольшом облучении (20–30 Гр) здоровой ткани печени, окружающей опухоль.

Наиболее перспективным направлением в области разработки радиомодификаторов является создание препарата на основе микро- и наночастиц тяжелых металлов, так как чем больше атомный номер ядра атома, тем выше вероятность взаимодействия фотонов тормозного и гамма-излучения с веществом путем фотоэффекта [15]. Создание препаратов, основанных на использовании наноразмерных частиц тяжелых элементов, например Ta₂O₅, представляет особый интерес, так как тантал обладает низкой токсичностью и практически биоинертен, что позволяет широко использовать его в медицине [16].

В данной статье представлен способ получения танталсодержащего композиционного материала на основе Bioglass 45S5 и исследована in vivo его способность к преодолению радиорезистентности опухоли за счет локальной радиомодификации злокачественных новообразований.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Образцы композиционного материала, состоящего из Bioglass 45S5 и Ta₂O₅, получены одним из трех способов, разработанных в работе [17]. Состав образцов, мас. %: Ta₂O₅ – 20, SiO₂ – 36, Na₂O – 19.6, CaO – 19.6, P₂O₅ – 4.8 и Ta₂O₅ – 40, SiO₂ – 27, Na₂O – 14.7, CaO – 14.7, P₂O₅ – 3.6.

Выбран следующий способ. В органический раствор, содержащий олеат натрия, тетраэтоксисилан, олеат кальция и трибутилфосфат в стехиометрических количествах для получения биостекла 45S5, добавляли кристаллический оксид тантала. В качестве растворителя выступала смесь скипидара (сульфатного очищенного для органического синтеза) с толуолом в соотношении 40 : 60 соответственно. Все компоненты тщательно перемешивали при нагревании и производили отгонку растворителя при температуре 200°С. Образовавшийся прекурсор подвергали пиролизу в муфельной печи Nabertherm L5/13/B180 при средней скорости нагрева 7 град/мин до 1300°С и выдержке при этой температуре 30 мин. Для стеклования компонентов материал переносили в камеру отжига с температурой 550°С и выдерживали в течение 2 ч. Затем образец охлаждали при комнатной температуре и измельчали на вибрационной микромельнице Fritsch Pulverisette-0.

Получены порошки стеклокерамики следующего качества: 100% частиц имели размер <100 мкм, из них 85% частиц – размер <50 мкм. Измерение проведено с помощью ситового анализа ручным сухим способом ситами 01 и 005. Состав материала подтвержден рентгенофазовым анализом с помощью дифрактометра D8 Advance (Bruker AXS, Германия) в CuK_α-излучении с графитовым монохроматором, программы поиска EVA и базы порошковых данных ICDD PDF-2. Для исследования состава, а также морфологии образцов использовали метод растровой электронной микроскопии (РЭМ). РЭМ-изображения и энергодисперсионные спектры получали на электронном сканирующем микроскопе S5500 (Hitachi, Япония). Генерацию первичного высокоэнергетического излучения проводили на линейном ускорителе TrueBeam (Varian Medical Systems, США). Уровень вторичного излучения регистрировали с помощью полупроводникового диодного детектора PDI-2.0 tm (Sun Nuclear Corp., США).

Экспериментальную суспензию для лечения злокачественных новообразований готовили непосредственно перед применением следующим образом. Сухой порошок стеклокерамики (150 мг) помещали в 15 мл физиологического раствора, встряхивали и отбирали необходимое количество суспензии шприцем калибра G16 для введения животным.

Эксперимент in vivo проводили на 28 мышах – самках весом 20–22 г. Всем мышам под кожу задней правой лапы перевивали опухоль аденокарциномы Эрлиха (500 000 клеток/мышь) в физиологическом растворе. Животных делили на две группы (по 14 в каждой), различающиеся способом лечения опухоли. Группа 1 – через 10 дней проводили облучение области опухоли. Группа 2 – через 10 дней в область опухоли вводили 0.3 мл экспериментальной суспензии с последующим облучением.

Сеанс лучевой терапии проводили на аппарате True Beam фирмы Varian с применением болюса с энергией фотонов до 6 МэВ одной фракцией, СОД 20 Гр ионизирующего излучения. В процессе эксперимента (на 1, 3, 7, 14 день) из каждой группы изымали по одной особи для взятия материала на гистологическое исследование с целью оценки морфологических изменений в тканях. Поэтому при расчете выживаемости они не учитывались.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Введение в опухоль радиосенсибилизаторов с последующим облучением приводит к появлению дополнительного вторичного излучения внутри опухоли, что усиливает воздействие лучевой терапии. В [18] исследована in vivo возможность применения наночастиц оксида тантала для лечения злокачественных новообразований. Получены результаты, подтверждающие эффективность использования материалов на основе Ta₂O₅. Отрицательным фактором является слишком высокая скорость выведения оксида тантала из тканей (одни сутки), что нежелательно в условиях длительного лечения заболевания. В целях эффективного проведения лучевой терапии проблему быстрого выведения частиц было решено преодолеть с помощью местного введения в опухоль препарата, состоящего из конгломерата танталсодержащих кристаллов, заключенных в матрицу биостекла.

Установлено, что в результате взаимодействия компонентов стекла Bioglass 45S5 с оксидом тантала при температуре 1300°С образуется танталсодержащая стеклокерамика (рис. 1). Фазовый состав прекурсоров, отожженных при различных температурах, а также при различном содержании Ta₂O₅ в Bioglass 45S5, был подробно исследован в [17]. Созданный двухфазный композиционный материал состоит из микрокристаллов кубической формы с длиной ребра ~1 мкм, равномерно распределенных в матрице стекла.

Рис. 1.

Микрофотография танталсодержащей стеклокерамики.

Энергодисперсионный спектр образца (рис. 2) подтверждает наличие Na, Ca, P, Si, Ta в составе материала. Согласно данным рентгенофазового анализа (рис. 3), в матрицу стекла заключены микрокристаллы состава CaTa₂O₆. Кристаллическая фаза соответствует № 01-077-1228 (С) из базы порошковых данных International Centre for Diffraction Data (ICDD), Powder Diffraction File (PDF), Kabekkody, 2007.

Рис. 2.

Микрофотография фрагмента стеклокерамики (а) и ее энергодисперсионный спектр в области сканирования 1 (б).

Рис. 3.

Дифрактограмма продукта обжига прекурсора, содержащего Ta₂O₅.

Стекло, в матрице которого находятся микрокристаллы танталата кальция, в живом организме подвергается деградации. Процесс сопровождается постепенным высвобождением кристаллов CaTa₂O₆. Следовательно, они способны задерживаться в тканях в месте введения на срок, достаточно длительный для эффективной лучевой терапии. Таким образом решается проблема высокой скорости выведения оксида тантала из тканей. При этом у образовавшегося в стекле CaTa₂O₆ сохраняются такие известные свойства Ta₂O₅, как рентгеноконтрастность [19] и возможность генерации вторичного излучения [20].

Методом Монте-Карло проведено моделирование генерации вторичного ионизирующего излучения в условиях генерации первичного высокоэнергетического излучения с энергией фотонов 6 МэВ. На рис. 4 представлены показатели генерации вторичного ионизирующего излучения в зависимости от расстояния до поверхности исследуемого образца. Все значения нормированы по отношению к значениям на расстоянии 2 см от поверхности облучаемого объекта, принятого за 100%, соответствующего фоновому значению. Генерация вторичного излучения на стекле, содержащем 20 и 40 мас. % оксида тантала, дает существенную прибавку к генерации вторичного излучения, которая составляет от 69 до 100% на поверхности исследуемого объекта и ~34% на расстоянии 5 мм от поверхности образцов по сравнению с дистиллированной водой. Таким образом, для достижения максимального эффекта необходим непосредственный контакт стеклокерамики, содержащей микрокристаллы CaTa₂O₆, со злокачественным новообразованием.

Рис. 4.

Показатели генерации вторичного ионизирующего излучения на различных образцах: дистиллированная вода (1), биостекло, содержащее 40 мас. % Ta₂O₅ (2), биостекло, содержащее 20 мас. % Ta₂O₅ (3), биостекло (4).

Для экспериментального подтверждения торможения роста перевиваемой животным опухоли выполнены исследования in vivo. Исходя из полученных данных, максимальное значение вторичного излучения получено у поверхности образца стеклокерамики, содержащей 40 мас. % оксида тантала. Тактика эксперимента очевидна: для эффективной лучевой терапии суспензия из композита с максимальным количеством тантала вводится непосредственно в место опухоли.

Результативность введения в опухоль исследуемого препарата оценивали по продолжительности жизни животных в группах с расчетом статистической значимости различий при критическом значении t-критерия Стьюдента 2.101 и уровне значимости α = 0.05. На рис. 5 представлена зависимость продолжительности жизни животных от способа лечения опухоли. Установлено, что в группе 1 средняя продолжительность жизни животных составила 14.9 ± 3.3 дня, медиана выживаемости – 11 дней (рис. 5). В группе 2 средняя продолжительность жизни животных составила 38.6 ± 3.3 дней, медиана выживаемости – 39 дней. Различие между группами статистически значимо (t = 4.22 при p = 0.000573). Таким образом, включение в программу лучевой терапии локального введения препарата на основе двухфазной стеклокерамики дало прибавку к выживаемости в 28 дней.

Рис. 5.

Кривые выживаемости животных в различных группах: группа 1 (1), группа 2 (2).

Идея использования стекла как инертной оболочки в онкологии, как уже было отмечено, не нова. В качестве наполнителя стеклянных микросфер использовали иттрий-90 или химиопрепарат доксорубицин. Так, при лечении рака печени микросферами с итрием-90 методом радиоэмболизации у 64 пациентов (создание искусственного радиоактивного тромба в зоне опухоли) позволило статистически значимо увеличить продолжительность жизни до 16.4 месяцев, а у части пациентов (12) – провести хирургическое лечение [14] и продлить среднюю продолжительность жизни до 51.9 месяцев. Использование стеклянных микросфер в качестве средства доставки иттрия-90 было применено у 531 пациента с метастазами колоректального рака в печень. Аналогично использовался метод радиоэмболизации. Применение этого метода позволило увеличить продолжительность жизни пациентов при стандартной терапии с 4.8 до 10.6 мес. [21]. Указанные методы лечения отвечают требованиям локальной лучевой терапии: их вводили местно с использованием ангиографии, формировали высокую концентрацию микросфер в зоне опухоли, однако сами сферы являлись источником ионизирующего излучения, что приводило к естественным ограничениям для их использования. Данных по введению нерадиоактивного препарата непосредственно к опухоли и генерации вторичного излучения при воздействии ионизирующего высокоэнергетического излучения (6 МэВ) на микрочастицах стекла, содержащего тяжелые элементы, в доступной нам литературе не найдено.

На основании современных представлений о тактике лучевой терапии злокачественных новообразований сформулированы требования, которым должен удовлетворять материал для локальной радиомодификации. Это должен быть препарат с размером частиц не более 150 мкм, способный образовывать устойчивую суспензию, пригодную для введения через инъекционную иглу, обладать рентгеноконтрастностью в диапазоне чувствительности компьютерного томографа, содержать достаточно большое (>10% веса) количество тяжелых элементов, генерировать вторичное излучение в области низкоэнергетического рентгеновского спектра (20–100 кэВ), обладать минимальной местной и системной токсичностью и оставаться на месте введения на протяжении длительного (2–6 месяцев) срока лучевой терапии. Экспериментальная суспензия потенциально отвечает указанным требованиям и представляет интерес для дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что применение стеклокерамики, содержащей микрочастицы CaTa₂O₆, позволяет эффективно проводить лечение злокачественных новообразований. За счет двухфазного состава достигается пролонгированное присутствие препарата в зоне инъекции, что позволяет решить проблему быстрого выведения тантала из организма. Препарат повышает эффективность однократной дозы облучения. Включение в программу лучевой терапии стеклокерамики, содержащей микрокристаллы CaTa₂O₆, статистически значимо улучшает выживаемость пациентов. Комбинация биостекла и оксида тантала является перспективной платформой для создания препарата для локальной радиомодификации больных злокачественными новообразованиями, которые нуждаются в лучевой терапии. Препарат не представляет угрозы радиоактивного заражения организма и снижает вероятность возникновения лучевых осложнений в здоровых тканях.