Теория ученых Екатеринбурга и Эдинбурга о коллективном поведении наночастиц поможет в лечении рака

Магнитные наночастицы – частицы магнитных материалов размером 10–15 нанометров в поперечнике (это в сто раз меньше самого тонкого человеческого волоса). Воздействуя на такие частицы внешним магнитным полем, можно с их помощью транспортировать лекарства точно к определенному участку организма. Если поместить такие частицы в специальное вещество, избирательно поглощаемое раковыми клетками, рентген даст более контрастную, яркую, отчетливую картину ткани, пораженной опухолью. В этом исследовании магнитные частицы рассматривали как незаменимый участник процесса лечения рака, когда опухоль локально нагревают, параллельно проводя химиотерапию.

Это происходит так: переменное магнитное поле, формирующееся источником переменного электрического тока (а это большинство электрических сетей), поглощает энергию и заставляет частицы вращаться все быстрее и 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 т.д.

Алексей Иванов, доктор физико-математических наук, профессор Уральского федерального университета (Екатеринбург) и профессор Филип Кэмп (Эдинбургский университет) поставили перед собой задачу – с помощью моделирования процесса на компьютере спрогнозировать 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.

«Условия природы полностью воссоздать на компьютере невозможно, воспроизводится модель, максимально приближенная к реальности. Преимущество метода компьютерного моделирования в том, что оно, во-первых, дешевле, чем лабораторные исследования, во-вторых, известны все параметры каждой частицы и все воздействующие факторы. В естественных условиях всегда имеются факторы, не до конца известные и не вполне контролируемые», – объясняет Алексей Иванов.

В соответствии с классической теорией Дебая 1923 г. коллективное поведение частиц описывается суммой реакций каждой из частиц, сложенных в «ансамбль». Компьютерные эксперименты привели Алексея Иванова и Филипа Кэмпа к предположению, что это неверное представление, что частицы постоянно взаимодействуют, влияют друг на друга, 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. В результате компьютерного эксперимента мы выявили два таких максимума — для больших и малых частиц, для сред с преобладанием первых и вторых. Выяснилось, что, если описывать процессы классическими формулами Дебая, не учитывающими взаимодействия частиц, мы получим обратные максимумы по отношению к тем, что выявлены нами на компьютерной модели, максимально приближенной к реальным условиям. Другими словами, 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. Говоря проще, нагревать пораженный участок нужно, к примеру, не 10, а только 5 минут», – поясняет Алексей Иванов.

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