Способ обнаружения и ликвидации отдельных раковых клеток и их скоплений

Изобретение относится к медицине, в частности к электротерапии и магнитотерапии, используемой при лечении онкологических заболеваний.

Известен способ (патент РФ №2174021), заключающийся в воздействии на опухоль СВЧ-гипертермии, перед воздействием гипертермии осуществляют воздействие на опухоль СВЧ-излучения с длиной волны 1,3÷2 см и выявляют значение резонансной частоты поглощения опухоли, после чего осуществляют аналогичное воздействие на пограничные с опухолью здоровые ткани и выявляют значение резонансной частоты поглощения этих здоровых тканей, одновременно с гипертермией осуществляют контроль значений резонансных частот поглощения опухоли и здоровых тканей и при сближении значений резонансных частот поглощения опухоли и здоровых тканей судят об эффективности лечения.

Недостатком данного решения являются трудности разделения резонансных частот опухоли и здоровой ткани из-за того, что в фокусе СВЧ-излучения могут оказаться одновременно и опухолевая и здоровая ткани, а также невозможность одновременного уничтожения всех раковых клеток из-за малой глубины проникновения в биоткань организма больного, обусловленной поглощением СВЧ-излучения с длиной волны 1,3÷2 см.

Известен способ (патент РФ №2382659), включающий введение раствора магнитных частиц и облучение опухоли электромагнитным излучением, отличающийся тем, что в качестве магнитных частиц используют магнитоуправляемые наночастицы из магнетита Fe₃O₄ в физиологическом растворе при концентрации наночастиц, не превышающей 10¹⁰/см³, создают пространственное локальное постоянное магнитное поле, имеющее конфигурацию, соизмеримую по объему с опухолью и имеющее напряженность, не превышающую 0,1 Тл, через время, соответствующее достижению максимальной концентрации наночастиц в опухоли, облучают опухоль с магнитными наночастицами импульсным СВЧ-излучением с частотой в диапазоне 2,4-10 ГГц, при этом максимальный размер наночастиц не превышает 100 нм, частицы имеют покрытие из биологически совместимого материала.

Недостатком данного способа является малая точность определения расположения координат областей раковых клеток и соответственно низкая эффективность лечения из-за облучения не всех раковых клеток и невозможность диагностирования на ранней стадии заболевания, когда заражены отдельные клетки или области заражения еще очень малы.

Технической задачей заявляемого способа является повышение точности определения расположения координат отдельных раковых клеток и их скоплений, а также повышение эффективности ликвидации раковых клеток.

Техническим результатом заявляемого способа является точное электромагнитное сканирование координат маркеров отдельных раковых клеток и их скоплений в организме в целом и их N кратный мониторинг до момента полной ликвидации раковых клеток с целью исключения случаев рецидива.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ обнаружения и ликвидации отдельных раковых клеток и их скоплений, включающий: введение в организм электромагнитных маркеров раковых клеток, электромагнитное сканирование организма в целом и мониторинг координат маркеров раковых клеток проводят с использованием СКВИД-градиометров, облучение на заданной электромагнитной частоте Ω=2 ГГц и плотности мощности ρ в пределах ρ=100÷200 Вт/см², - локальных областей маркеров раковых клеток в течение заданного исследуемого времени облучения, при этом внутривенно вводят электромагнитные маркеры - наночастицы F₃O₄ размером 10 нм, предварительно введенные в физиологический раствор с концентрацией наночастиц F₃O₄ в пределах до 10⁹/см³ в токсически допустимой дозе до 1÷2 мг/кг, согласно решения, сканирование организма в целом и мониторинг координат маркеров раковых клеток проводят в устройстве для определения координат магнитных наночастиц, расположенных в пораженных раком клетках биологического объекта, содержащем экранирующую камеру, намагничивающую систему, охлаждающую систему, сенсорную систему, систему управления и преобразования сигналов, сенсорная система выполнена из N СКВИДов, установленных на трех магнитно-прозрачных элементах, распололсенных в трех взаимно ортогональных плоскостях XY и XZ, YZ, при этом СКВИДы установлены по осям X, Y, Z на заданных расстояниях d_X, d_Y, d_Z соответственно и размещенных с возможностью последовательного включения и снятия сигнала через ключи управления, каждый из СКВИДов представляет собой магнитометр-градиометр, сформированной на изолирующей подложке, содержащий входной контур и измерительный контур, измерительный контур состоит из К джозефсоновских структур и индуктивно связан с входным контуром, представляющим собой два равных витка из сверхпроводящей пленки, включенных навстречу друг другу, на центральной перемычке которых расположены К джозефсоновских структур, включающих К+1 слабую связь и К контуров квантования, а на внешней части подложки размещен экранирующий контур, при этом магнитно-прозрачные элементы выполнены с внутренней стороны со слоем теплоизоляции, а с наружной стороны с двумя слоями: охлаждающим слоем и слоем теплоизоляции в течение исследуемого времени стабилизации положения и количества наночастиц F₃O₄, прикрепленных к раковым клеткам и невыводимых из организма - τ₁, после этого зафиксированный данном устройстве организм облучают в течение исследуемого времени - τ₂ с помощью динамически размещаемых между сенсорной системой, указанного выше устройства и зафиксированным организмом - облучающей системы устройств, включающей: СВЧ-генератор, направленный СВЧ-излучатель с изменяемой кривизной, манипулятор СВЧ-излучателя, блок управления, связанный с указанным выше устройством для определения координат магнитных наночастиц, при этом облучение проводят - в каждой из областей выявленных координат наночастиц, затем электромагнитное сканирование и мониторинг координат наночастиц проводят в течение исследуемого времени полного выведения всех поврежденных раковых клеток с прикрепленными к ним маркерами раковых клеток наночастицами F₃O₄ - τ₃, в этом случае ликвидация раковых клеток прекращается, при этом для повышения вероятности прикрепления электромагнитных маркеров к раковым клеткам и исключения случаев рецидива повторяют операцию внутривенного введения электромагнитных маркеров - наночастиц F₃O₄ размером 10 нм, предварительно введенных в физиологический раствор с концентрацией наночастиц F₃O₄ в пределах до 10⁹/см³ в токсически допустимой дозе 1÷2 мг/кг в организм больного, затем сканирование и мониторинг организма в целом проводят в устройстве для определения координат раковых клеток до момента определенности: либо первое - происходит стабилизации положения наночастиц в локальных областях организма и стабилизации количества наночастиц F₃O₄ не выводимых из организма в течение исследуемого времени - τ₄, либо второе - происходит неустойчивость в положении наночастиц и их количестве так что происходит полное выведения всех наночастиц в течение исследуемого времени - τ₅ - принимается решение в первом случае повторного облучения и повторения всех операций способа необходимое количество раз до момента, определенного во втором случае, во втором случае ликвидация раковых клеток прекращается.

Способ осуществляется следующим образом: пациенту вводят внутривенно электромагнитные маркеры - наночастицы F₃O₄ размером 10 нм, предварительно введенные в физиологический раствор с концентрацией наночастиц F₃O₄ в пределах 10⁹/см³ в токсически допустимой дозе 1÷2 мг/кг, затем для оценки максимально-устойчивого накопления магнитных наночастиц в раковых клетках сначала электромагнитное сканирование организма в целом и мониторинг координат маркеров раковых клеток первый раз проводят, например через 40÷60 минут, затем сканирование и мониторинг проводят N₁ кратное количество раз до момента стабилизации положения наночастиц в локальных областях организма и стабилизации количества наночастиц F₃O₄ прикрепленных к раковым клеткам и невыводимых из организма; после того как убедились в достоверности локализации раковых клеток проводят их направленное облучения последовательно от отдельно расположенной раковой клетки до J-той (последней) с помощью системы устройств для осуществления способа, включающей: СВЧ-генератор, с направленную СВЧ-антенну (с изменяемой кривизной, зависящей от выбора частоты, которая определяется глубиной расположения - облучаемой зоны) и манипулятором СВЧ-антенны, блок управления связанный с устройством для определения координат раковых клеток (например, патент РФ №177776) - так, что выходные сигналы последнего принимаются блоком управления и по встроенной внутренней программе преобразуются в сигналы управления: манипулятора направленной СВЧ антенны и непосредственно СВЧ-генератора, в результате чего происходит облучение каждой конкретной раковой клетки (либо их скоплений размером 1 см и более) под заданным углом на заданном расстоянии последовательно от первой до последней, при этом в каждом случае облучение проводят на частоте Ω=2 ГГц и плотности мощности мощность 100÷200 Вт/см².

Для того чтобы убедиться в выделении организмом всех пораженных в результате нагрева раковых клеток проводят повторное электромагнитное сканирование координат наночастиц, например, через 24 часа, затем сканирование и мониторинг проводят N₂ кратное количество раз до момента определения полного выведения всех поврежденных раковых клеток с прикрепленными к ним маркерами раковых клеток наночастицами F₃O₄ в этом случае вышеперечисленные операции способа прекращаются на период послетоксического восстановления организма больного, затем для повышения вероятности прикрепления электромагнитных маркеров к раковым клеткам и исключения случаев рецидива повторяют операцию внутривенного введения электромагнитных маркеров - наночастиц F₃O₄ размером 10 нм, предварительно введенных в физиологический раствор с концентрацией наночастиц F₃O₄ в пределах до 10⁹/см3 в токсически допустимой дозе 1÷2 мг/кг в организм больного, затем электромагнитное сканирование и координат наночастиц проводят, например, через 40÷60 минут, затем сканирование и мониторинг проводят N₃ кратное количество раз до момента определенности либо первое - происходит стабилизации положения наночастиц в локальных областях организма и стабилизации количества наночастиц F₃O₄, невыводимых из организма либо второе - происходит колебания и изменения положения наночастиц и количество наночастиц уменьшается до нуля или предела обнаружения - принимается решение в первом случае повторного облучения и повторения всех операций способа N₄ - кратное количество раз до момента, определенного во втором случае, т.е. прекращении ликвидации раковых клеток.

Возможность достижения технического результата обеспечивается тем, что наночастицы F₃O₄ размером 10 нм поглощаются именно раковыми клетками и обычно застревают в порах мембраны раковой клетки (размеры пор которых лежат в области 10-20 нм), нижняя граница размеров используемых частиц 10 нм задана для исключения проникновения наночастиц в здоровые клетки поры, которых обычно менее 10 нм., кроме того размеры наночастиц F₃O₄ подбираются определенного размера, который определяется возможностью их диффузии через сосудистую кроветворную систему через фенестрированные артериальные капилляры, а также возможностью вывода наночастиц из организма через фильтрующие системы почек. Верхняя граница диапазона частот воздействующего СВЧ электромагнитного излучения связана с глубиной проникновения излучения в биоткань, которая в основном определяется спектральным коэффициентом поглощения воды. При взаимодействии СВЧ излучения с магнитными наночастицами последние играют роль магнитных диполей, что определяет повышение эффективности нагрева зараженной клетки или их скоплений с локализованными магнитными наночастицами в биотканях. Кроме того, наличие в зараженной клетке локализованных наночастиц существенно увеличивает контрастность нагрева: зараженные клетки с магнитными наночастицами нагреваются быстрее, чем здоровые клетки без наночастиц, т.е. температура 41-42°С, при которой уничтожаются зараженные клетки - достигается быстрее, что приводит к гибели только раковых клеток, в отличие от обычной СВЧ-гипертермии, в нагреве пораженной ткани принимают участие магнитные наночастицы, существенно усиливающие эффект нагрева, что позволяет использовать СВЧ-излучатели низкой мощности. Кроме того, область нагрева локализуется в основном пораженным участком, что позволяет увеличить температуру нагрева примерно до 43°С.

При зондировании СВЧ-излучением на частоте 10 ГГц при толщине образца 5 мм 80% СВЧ-энергии от вводимой поглощается, а на частоте 2,0 ГГц эффективная глубина поглощения может достигать более 15 см в зависимости от типа биоткани, что и определяет выбранный СВЧ-диапазон воздействия для предлагаемого способа СВЧ-термолиза с помощью магнитных наночастиц в зависимости от вида опухоли и глубины ее положения. Выбор верхнего предела интервала токсически допустимой дозы 1÷2 мг/кг, непокрытых наночастиц F₃O₄ обоснован в статье (Влияние магнитных наночастиц на жизнеспособность, прикрепление и распластование изолированных клеток плодов новорожденных крыс, А.Н. Сукач, А.С. Лебединский, В.И. Гриценко, Т.Д. Ляшенко, ЦИТОЛОГИЯ, 2011, том 53, №4). Превышение данной дозы может вызывать необратимые изменения на жизнеспособность клеток. Выбор плотности мощности 100÷200 Вт/см² обоснован в прототипе.

На фиг. 1 представлена блок схема системы устройств для осуществления способа. Система устройств для осуществления способа содержит импульсный СВЧ-генератор - 1, направленный СВЧ-излучатель, с изменяемой кривизной - 2, и манипулятор СВЧ-антенны - 3, блок управления - 4, устройство для определения координат магнитных наночастиц - 5.

На фиг. 2 представлена схема устройства для определения координат магнитных наночастиц, которая используется для электромагнитного сканирование организма в целом и мониторинга координат маркеров раковых клеток. Данное устройство состоит из N СКВИДов - 6, установленных на трех магнитно-прозрачных элементах - 7, расположенных в трех взаимно ортогональных плоскостях XY и XZ, YZ, при этом СКВИДы установлены по осям X, Y, Z на заданных расстояниях d_X, d_Y, d_Z соответственно и размещены с возможностью последовательного включения и снятия сигнала через ключи управления - 8, каждый из СКВИДОВ представляет собой магнитометр-градиометр, сформированной на изолирующей подложке - 9, при этом биологический объект с предварительно введенными частицами - 5 располагается под тремя магнитно прозрачными элементами, расположенных в трех взаимно ортогональных плоскостях XY и XZ, YZ, на которых установлено N СКВИДов, при этом СКВИДы установлены по осям X, Y, Z на заданных расстояниях d_X, d_Y, d_Z.

Пример 1

Пациенту №1 (лабораторная крыса массой 220 г): диагноз - привитая лимфосаркома.

1) Ввели в организм электромагнитные маркеры раковых клеток - наночастицы F₃O₄ размером 10 нм, предварительно введенные в физиологический раствор с концентрацией наночастиц F₃O₄ в пределах до 5*10⁹/см³ в токсически допустимой дозе равной 1 мг/кг, затем провели электромагнитное сканирование организма лабораторной крысы в целом в устройстве для определения координат раковых клеток необходимое (N₁-кратное) количество раз до момента исследуемого времени стабилизации положения и количества наночастиц F₃O₄, прикрепленных к раковым клеткам и невыводимых из организма - τ₁, равное 2 часам;

2) Затем зафиксированный внутри данного устройства организм лабораторной крысы и облучили на электромагнитной частоте Ω=2 ГГц и плотности мощности ρ=200 Вт/см², в течение заданного исследуемого времени облучения - τ₂, равного 1 часу с помощью системы устройств, включающей: СВЧ-генератор, направленный СВЧ-излучатель, манипулятор СВЧ-излучателя, блок управления, связанный с устройством для определения координат раковых клеток в каждой из областей выявленных координат наночастиц(в данном случае весь объект целиком);

3) Затем провели электромагнитное сканирование и мониторинг координат наночастиц необходимое (N₂-кратное) количество раз до момента определения полного выведения всех поврежденных раковых клеток с прикрепленными к ним маркерами раковых клеток наночастицами F₃O₄ в течение исследуемого времени - τ₃ - равного 32 часам, в этом случае ликвидация раковых клеток прекратилась;

4) Затем для повышения вероятности прикрепления электромагнитных маркеров к раковым клеткам и исключения случаев рецидива повторили операцию внутривенного введения электромагнитных маркеров - наночастиц F₃O₄ размером 10 нм, предварительно введенных в физиологический раствор с концентрацией наночастиц F₃O₄ в пределах до 5*10⁹/см3 в токсически допустимой дозе 1 мг/кг в организм больного, затем провели сканирование и мониторинг организма в целом в устройстве для определения координат раковых клеток необходимое (N₃-кратное) количество раз до момента, когда количество наночастиц уменьшилось до минимально устойчивого через исследуемое время - τ₄, равное 24 часам, ликвидация раковых клеток прекратилась.

Пример 2

Пациенту №2 (лабораторная крыса массой 230 г): диагноз - привитая лимфосаркома

1) Ввели в организм электромагнитные маркеры раковых клеток - наночастицы F₃O₄ размером 10 нм, предварительно введенные в физиологический раствор с концентрацией наночастиц F₃O₄ в пределах до 5*10⁹/см³ в токсически допустимой дозе, равной 1 мг/кг, затем провели электромагнитное сканирование организма лабораторной крысы в целом в устройстве для определения координат раковых клеток необходимое (N₁-кратное) количество раз до момента исследуемого времени стабилизации положения и количества наночастиц F₃O₄, прикрепленных к раковым клеткам и невыводимых из организма - τ₁, равное 2 часам;

2) Затем зафиксированный внутри данного устройства организм лабораторной крысы облучили на электромагнитной частоте Ω=2 ГГц и плотности мощности ρ=150 Вт/см², в течение заданного исследуемого времени облучения τ₂, равного 1 часу, с помощью системы устройств, включающей: СВЧ-генератор, направленный СВЧ-излучатель, манипулятор СВЧ-излучателя, блок управления, связанный с устройством для определения координат раковых клеток в каждой из областей выявленных координат наночастиц;

3) Затем провели электромагнитное сканирование и мониторинг координат наночастиц проводят необходимое (N₂-кратное) количество раз до момента определения полного выведения всех поврежденных раковых клеток с прикрепленными к ним маркерами раковых клеток наночастицами F₃O₄, в течение исследуемого времени - τ₃, равного 32 часам, в этом случае ликвидация раковых клеток прекратилась;

4) Затем для повышения вероятности прикрепления электромагнитных маркеров к раковым клеткам и исключения случаев рецидива повторили операцию внутривенного введения электромагнитных маркеров - наночастиц F₃O₄ размером 10 нм, предварительно введенных в физиологический раствор с концентрацией наночастиц F₃O₄ в пределах до 5*10⁹/см3 в токсически допустимой дозе 1 мг/кг в организм больного, затем провели сканирование и мониторинг организма в целом в устройстве для определения координат раковых клеток необходимое (N₃ кратное) количество раз до момента стабилизации положения наночастиц, так что количество наночастиц стабилизировалось через исследуемое время - τ₄, равное 2 часам;

5) Затем зафиксированный внутри данного устройства организм лабораторной крысы облучили на электромагнитной частоте Ω=2 ГГц и плотности мощности ρ=150 Вт/см², в течение заданного исследуемого времени облучения τ₅, равного 1 часу, с помощью системы устройств, включающей: СВЧ-генератор, направленный СВЧ-излучатель, манипулятор СВЧ-излучателя, блок управления, связанный с устройством для определения координат раковых клеток в каждой из областей выявленных координат наночастиц;

6) Затем провели электромагнитное сканирование и мониторинг координат наночастиц необходимое (N₂-кратное) количество раз до момента определения полного выведения всех поврежденных раковых клеток с прикрепленными к ним маркерами раковых клеток наночастицами F₃O₄, в течение исследуемого времени - τ₆, равного 32 часам, в этом случае ликвидация раковых клеток прекратилась.

Пример 3

Пациенту №3 (лабораторная крыса масса 210 г): диагноз - привитая лимфосаркома.

1) Ввели в организм электромагнитные маркеры раковых клеток - наночастицы F₃O₄ размером 10 нм, предварительно введенные в физиологический раствор с концентрацией наночастиц F₃O₄ в пределах до 5*10⁹/см³ в токсически допустимой дозе равной 1 мг/кг затем провели электромагнитное сканирование организма лабораторной крысы в целом в устройстве для определения координат раковых клеток необходимое (N₁-кратное) количество раз до момента исследуемого времени стабилизации положения и количества наночастиц F₃O₄, прикрепленных к раковым клеткам и невыводимых из организма - τ₁, равное 2 часам;

2) Затем зафиксированный внутри данного устройства организм лабораторной крысы облучили на электромагнитной частоте Ω=2 ГГц и плотности мощности ρ=100 Вт/см², в течение заданного исследуемого времени облучения τ₂, равного 1 часу, с помощью системы устройств, включающей: СВЧ-генератор, направленный СВЧ-излучатель, манипулятор СВЧ-излучателя, блок управления, связанный с устройством для определения координат раковых клеток в каждой из областей выявленных координат наночастиц;

3) Затем провели электромагнитное сканирование, мониторинг координат наночастиц проводят необходимое (N₂-кратное) количество раз до момента определения полного выведения всех поврежденных раковых клеток с прикрепленными к ним маркерами раковых клеток наночастицами F₃O₄ в течение исследуемого времени - τ₃, равного 32 часам, в этом случае ликвидация раковых клеток прекратилась;

4) Затем для повышения вероятности прикрепления электромагнитных маркеров к раковым клеткам и исключения случаев рецидива повторили операцию внутривенного введения электромагнитных маркеров - наночастиц F₃O₄ размером 10 нм, предварительно введенных в физиологический раствор с концентрацией наночастиц F₃O₄ в пределах до 5*10⁹/см3 в токсически допустимой дозе 1 мг/кг в организм больного, затем провели сканирование и мониторинг организма в целом в устройстве для определения координат раковых клеток необходимое (N₃-кратное) количество раз до момента стабилизации положения наночастиц, так что количество наночастиц стабилизировалось через исследуемое время - τ₄, равное 2 часам;

5) Затем зафиксированный внутри данного устройства организм лабораторной крысы облучили на электромагнитной частоте Ω=2 ГГц и плотности мощности ρ=100 Вт/см², в течение заданного исследуемого времени облучения τ₅, равного 1 часу, с помощью системы устройств, включающей: СВЧ-генератор, направленный СВЧ-излучатель, манипулятор СВЧ-излучателя, блок управления, связанный с устройством для определения координат раковых клеток в каждой из областей выявленных координат наночастиц;

6) Затем провели электромагнитное сканирование и мониторинг координат наночастиц необходимое (N₂ кратное) количество раз до момента определения полного выведения всех поврежденных раковых клеток с прикрепленными к ним маркерами раковых клеток наночастицами F₃O₄ в течение исследуемого времени - τ₆, равного 32 часам, в этом случае ликвидация раковых клеток прекратилась.

Таким образом, решается техническая задача заявляемого способа - повышение точности определения расположения координат отдельных раковых клеток и их скоплений, а также повышение эффективности ликвидации отдельных раковых клеток и их скоплений.