Способ получения композиции для бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей (варианты) - RU2720458C1

Чертежи

Описание

Группа изобретений относится к области медицинских технологий, а именно к созданию мишенных агентов для бор-нейтронозахватной терапии онкологических заболеваний, и описывает варианты способа получения композиции, содержащей наночастицы элементного бора.

В настоящее время лечение онкологических заболеваний представляет глобальную проблему. В качестве перспективного подхода в лечении ряда злокачественных опухолей, в первую очередь, трудноизлечимых опухолей головного мозга, рассматривается нейтронозахватная терапия, чрезвычайно привлекательная избирательным воздействием непосредственно на клетки злокачественной опухоли.

Изначально нейтронозахватная терапия основывается на том факте, что определенные ядра, такие как стабильный изотоп бора-10 (¹⁰В) имеют сечение захвата эпитепловых/тепловых нейтронов на несколько порядков выше, чем атомы углерода, водорода, кислорода и азота, входящие в состав биологических молекул, из которых построены все живые клетки. Если вещества, содержащие изотоп бора-10 избирательно накопить в опухоли, а затем облучить потоком эпитепловых/тепловых нейтронов, то возможно интенсивное поражение опухолевых клеток при минимальном воздействии на окружающие опухоль здоровые клетки. Такой подход в лучевой терапии приобрел название - бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ).

Поглощение нейтрона ядром¹⁰В приводит к мгновенной ядерной реакции с образованием нестабильного изотопа бор-11 (¹¹В), распад которого приводит к генерации высокоэнергетичных продуктов деления: α-частицу и ядро лития, характеризующимися высокими темпами торможения и малым пробегом этих частиц в воде или ткани организма - 5-10 мкм, что является характерным размером клеток млекопитающих. Выделение основной части энергии ядерной реакции¹⁰В ограничивается размером одной клетки. Таким образом, селективное накопление бора-10 внутри пораженных клеток и последующее облучение нейтронами должны приводить к разрушению клеток опухоли с относительно малым повреждением окружающих нормальных клеток.

Одна из главных проблем БНЗТ заключается в поиске мишенных агентов, удовлетворяющих главному требованию - содержание большого количества атомов бора-10 для достижения терапевтической концентрации в пораженных тканях, а именно 20,0-35,0 мкг на 1,0 г опухоли, что соответствует ~10 миллиардам атомам бора-10 на 1,0 грамм ткани опухоли. Так, известные борсодержащие препараты, используемые в клинической практике БНЗТ - пара-борфинилаланин (ВРА) и меркаптододекаборат натрия (Na₂B₁₂H₁₁SH) - содержат 1 и 12 атомов бора-10 соответственно. Современные борсодержащие молекулы представляют собой соединения полиэдрических гидридов бора-10 с максимальным числом атомов ~ 26. Для повышения эффективности метода БНЗТ необходимо увеличить количество атомов мишенного агента в препарате.

Применение наночастиц элементного бора в роли агента для БНЗТ позволит значительно повысить эффективность препарата. При диаметре наночастиц в 3 нм, число атомов бора будет составлять примерно 12 тыс. атомов, а при диаметре в 50 нм - примерно 200 тыс.атомов.

В настоящее время известны способы получения наночастиц бора путем химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ). Сущность ХОГФ заключается в том, что изолированные наночастицы получают путем испарения одного или нескольких веществ, содержащих атомы бора при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последующей конденсацией пара вблизи или на холодной поверхности. В результате реакции и/или разложения исходных веществ образуются атомы бора, которые в разреженной атмосфере быстрее теряют кинетическую энергию из-за столкновений с атомами инертного газа и образуют сегрегации (кластеры).

Существует множество способов реализации ХОГФ. Различные варианты ХОГФ принципиально отличаются между собой по способам запуска химических реакций и по условиям протекания процесса. Например, используют электронно-лучевой, лазерный, плазменный, дуговой способы испарения или их комбинации.

Исключительными преимуществами методов ХОГФ являются тонажность и одностадийность процесса, а также высокий выход целевого продукта близкий к 98% и высокая степень чистоты элементного бора 99,6-99,9999%.

К недостаткам перечисленных методов получения следует отнести то, что они позволяют получать кристаллические порошки элементного бора, в которых в результате протекающего процесса спекания в порошке преобладают частицы микронного размера, что вызывает сложности для применения их в качестве мишеней в БЗНТ, так как борсодержащие препараты должны применяться в виде растворов или суспензий (предпочтительно размер твердых частиц не больше 50-70 нм), вводимых с помощью шприца.

Современные ультразвуковые (УЗ) технологии - это новый подход к решению различных технологических задач современных производств.

Компанией «Nano-Size» на основе ультразвуковой системы, мощностью 4,0±0,05 кВт, был создан сонохимический реактор (US 20040256213 А1, 23.12.2004) для производства наночастиц. Для получения наноразмерных оксидов и гидроксидов металлов, раствор соли металла (обычно хлорид) в подходящем растворителе подвергается воздействию мощного ультразвука в присутствии основания, такого, как, например, гидроксид щелочного металла. Согласно известному решению, десятилитровый реактор, обеспечивающий интенсивность ультразвуковых колебаний 0,6 Вт/см³, подходит для таких целей (причем, авторы подчеркивают, что используется именно магнитострикционный преобразователь). При этих условиях внутри быстро взрывающихся кавитационных пузырьков создаются высокоактивные радикалы, основывая ядра наночастиц. В такой сонохимической реакции раствор одного моля соли металла дает до нескольких сотен грамм нано-продукта, имеющего размеры от 5 до 60 нм, за короткое время (около 3-6 минут).

Примеры соединений, наночастицы которых могут быть получены таким способом - это оксиды: FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, NiO, Ni₂O₃, CuO, Cu₂O, Ag₂O, СоО, Со₂О₃ и кристаллогидраты: Fe(OH)₃, Со(ОН)₃, NiO(OH), BaTiO₃. Металлические наночастицы также могут быть получены известным способом, например, наночастицы Fe, Со, Cu, Ag, Ni, Pd. Подобный реактор - это эффективное устройство для ускорения химических реакций. Например, превращение солей или оксидов металла в металлический порошок в относительно больших количествах (1,0 моль) завершается за 5-10 минут. Такой порошок состоит из ультрамелких металлических или неметаллических частиц наноразмерного диапазона 5÷100 нм.

В документе US 20040256213 А1 образование наночастиц металлов происходит в первую очередь в результате окислительно-восстановительной реакции, где в основе химического синтеза лежит реакция восстановления ионов металлов до атомов, за которой следует агрегация атомов с образованием кластеров. Агрегация кластеров и приводит к образованию наночастиц металлов. Агрегаты кластеров характеризуются слабым ван-дер-ваальсовым взаимодействием, они нестабильны. Ультразвуковое диспергирование временно помогает предотвратить образование агломератов, способствует их разрушению до исходных кластеров металла.

Известен способ диспергирования наноразмерного порошка диоксида кремния ультразвуком (патент RU 2508963, 10.03.2014). Способ подразумевает введение в жидкость нанопорошка диоксида кремния марки Таркосил Т05В06 и воздействие ультразвуковыми колебаниями в течение 3 мин с обеспечением в обрабатываемой среде режима акустической кавитации на резонансной частоте 23,0 кГц. Мощность ультразвуковой установки 0,63 кВт. Средний размер наночастиц 53 нм. Однако данный способ не применим для создания композиции, содержащей наночастицы бора, а получаемая этим способом композиция не применима в бор-нейтронзахватной терапии.

Из уровня техники известен патент РФ №2565432, опубл. 20.10.2015, в котором раскрыт способ получения наночастиц нитрида бора в качестве носителя для доставки противоопухолевого препарата в пораженные клетки. Способ характеризуется тем, что синтезируют сферические наночастицы нитрида бора размером 50-300 нм с развитой наружной поверхностью методом ХОГФ с применением реакционного и транспортного газов, а так же порошковых смесей, состоящих из аморфного бора и реагент-окислителей, а затем проводят диспергирование агломератов полученных наночастиц нитрида бора методом ультразвуковой обработки, насыщение наночастиц нитрида бора противоопухолевым препаратом методом сорбции и промывку наночастиц в дистиллированной воде. Наноразмерные структуры нитрида бора обладают способностью проникать в клетки опухоли посредством эндоцитоза и высвобождать терапевтическое вещество именно в околоядерной области. Указанный способ позволяет улучшать эффективность противоопухолевой химиотерапии за счет повышения активности поглощения клетками наноконтейнеров с противоопухолевым препаратом и предотвращения токсичности наноконтейнеров для клеток.

Предложенный способ изначально ориентирован на получение наночастиц нитрида бора. Нитрид бора - бинарное соединение бора и азота BN, содержание бора в наночастице нитрида бора в два раза меньше, чем в наночастицах, состоящих только из элементного бора.

Частицы нитрида бора устойчивы к окислению. Нитрид бора окисляется кислородом при температуре выше 700°С, обладает химической стойкостью, разрушается в горячих растворах щелочей с выделением аммиака. Наночастицы нитрида бора не выводятся из организма человека полностью и могут накапливаться в органах и тканях. Инертная поверхность частиц нитрида бора затрудняет дальнейшую модификацию/функционализацию их поверхности для придания свойств, определяющих применение в таргетной терапии.

В работе [Tiago Н. Ferreira и др., An assessment of the potential use of BNNTs for boron neutron capture therapy // Nanomaterials 2017, 7, 82; doi:10.3390/nano7040082] показана эффективность и принципиальная возможность применения наночастиц нитрида бора в терапии злокачественных опухолей. Тепловой поток нейтронов в сочетание с интернализацией большого количества бора способствует значительному количеству гибели клеток. Однако, авторы не упоминают, что в момент действия теплового потока нейтронов на наночастицы нитрида бора происходит активация не только изотопа бора-10, но и изотопа азота-14. В результате происходят трансмутационные превращения азота с образованием высокорадиоактивного изотопа углерода 14 по реакции:

Чем ниже скорость нейтронов, тем выше вероятность протекания ядерной реакции. Изотоп углерода 14 распадается с выделением энергии 0,158 МэВ и β-излучением опасным для человека. Радиоактивный углерод 14 используют в медицине в качестве радиоактивного индикатора. Однако, в последнее время тест на основе меченых атомов¹⁴С стараются заменять на тест со стабильным¹³С, который не связан с радиационными рисками. Период полураспада углерода 14 составляет 5730 лет.

Наночастицы элементного бора могут окисляться. Например, взаимодействие бора с пероксидом водорода. В организме млекопитающих некоторые ферментные системы (ксантиноксидаза, НАДФ⋅Н-оксидаза, циклооксигеназа и др.) продуцируют супероксид, который спонтанно или под действием супероксиддисмутазы превращается в пероксид водорода.

Скорость окисления бора зависит от кристалличности, размера частиц, чистоты и температуры. Окисляется бор с образованием оксидов. Оксид бора реагирует с водой с образованием борной кислоты, которая относительно безопасна для организма. Таким образом наночастицы, бора можно использовать в медицине, в частности, в терапии рака, не опасаясь побочных эффектов, традиционно ассоциирующихся с подобными терапиями.

Учитывая вышеизложенное, применение в БНЗТ композиций, содержащих наночастицы элементного бора, является наиболее приемлемым и безопасным.

Таким образом, из уровня техники не известны способы получения композиций для бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей, содержащих наночастицы бора размером менее 100 нм.

Задачей предлагаемой группы изобретений является создание экологически безопасных, принципиально новых вариантов способа получения композиции для бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей, содержащих наночастицы бора размером менее 100 нм.

Технический результат предлагаемой группы изобретений заключается в получении композиций для бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей с высоким содержанием стабильных во времени наночастиц бора.

Для решения задачи и получения технического результата предложены варианты исполнения способа получения композиции для бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей.

Согласно первому варианту способ получения композиции для бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей, содержащей наночастицы бора размером менее 100 нм, включает следующие этапы: порошок элементного бора помещают в воду и обрабатывают в течение от 0,5 до 800 минут ультразвуком с интенсивностью колебаний от 1,0 до 1000,0 Вт/см³ и выходной мощностью более 100,0 Вт.

Согласно второму варианту способ получения композиции для бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей, содержащей наночастицы бора размером менее 100 нм, включает следующие этапы: порошок элементного бора помещают в воду и обрабатывают в течение от 30 до 300 минут ультразвуком с интенсивностью колебаний от 1,0 до 1000,0 Вт/см³ и выходной мощностью более 100,0 Вт, затем отбирают верхнюю часть композиции в объеме менее 50 об. % от всего объема композиции и обрабатывают эту часть ультразвуком с интенсивностью колебаний от 1,0 до 1000,0 Вт/см³ и выходной мощностью более 100,0 Вт в течение 250-300 минут.

В любом из указанных вариантов возможно перед обработкой ультразвуком или в процессе обработки ультразвуком добавлять в композицию растворимую в воде неорганическую соль металла со степенью окисления +1 или смесь таких солей. Причем в качестве растворимых в воде неорганических солей металлов со степенью окисления +1 используют хлориды, нитраты, сульфаты, сульфиты, предпочтительно хлориды металлов: натрия, калия, лития.

В готовую композицию могут быть дополнительно введены стабилизаторы, такие как: в качестве стабилизаторов используют пригодные для введения в организм человека органические соли металлов (например, соли лимонной или уксусной кислот) или их смеси и/или неорганические соли металлов со степенью окисления равной или больше +2 и/или соединения, выбранные из группы: белки плазмы крови, антитела, гормоны, добавки Е400-Е499 и/или их основное вещество фармакопейной чистоты, полисахариды, жирные кислоты, белки растительного происхождения, производные аминокислот: 1-амино-3-циклобутан-1-карбоновой кислоты и 1-амино-3-циклопентанкарбоновой кислоты, фенилаланин, линейные и циклические пептиды, пурины, пиримидины, тимидины, нуклеозиды и нуклеотиды: 3-карборанильные тимидиновые аналоги, порфирины, плюроники, многоатомные спирты, полиэтиленгликоль, поливинилпирролидон, поливиниловый спирт, синтетические полиаминокислоты.

В качестве стабилизаторов используют также ацетаты или цитраты - соли или эфиры уксусной и лимонной кислот (например, ацетаты или цитраты таких металлов как: магний, аллюминий, кальций, скандий, титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галий, германий, мышьяк, рубидий, стронций, иридий, ниобий, молибден, рутений, родий, палладий, серебро, кадмий, золото).

Массовое соотношение бора к соли или к смеси солей находится в пределах от 1:0,01 до 1:30,0.

В качестве порошка элементного бора в любом из вариантов используют порошок аморфного бора или порошок крупнокристаллического бора или порошок мелкокристаллического бора или их смеси.

Способ получения наночастиц бора включает использование ультразвукового оборудования с колебаниями высоких интенсивностей, а также с выходной мощностью в диапазоне больше 100,0 Вт. Возможности ультразвуковых колебаний при интенсификации технологических процессов в жидких средах реализуются при контактном введении ультразвуковых колебаний непосредственно в жидкие среды, содержащие микрочастицы элементного бора, и в создании условий для развития и поддержания режима кавитации. Кавитация является основным фактором разрушения, которая представляет собой эффективный механизм концентрирования энергии. Кавитация начинается при превышении определенных порогов интенсивности излучения от 1,0 Вт/см³ до 1000,0 Вт/см³ при атмосферном давлении и комнатной температуре. При изменении давления, температуры и времени воздействия кавитация может начинаться и при более низкой мощности. Мощное звуковое поле в жидкости порождает маленькие парогазовые пузырьки, которые под действием этого поля могут расти и схлопываться. Полная энергия схлопывающегося пузырька невелика, однако сферическая сходимость пузырька приводит к образованию очень больших локальных плотностей энергии, а, следовательно, высоких температур 5000-25000 К и давлений 100 МПа. Под действием таких нагрузок происходит диспергирование/разрушение крупных кристаллитов исходного порошка элементного бора и образование наноразмерных частиц размером меньше 100 нм. Концентрация наночастиц бора, а также их размер зависят от времени кавитационного воздействия на жидкую композицию (от 0,5 до 800 мин), от выходной мощности ультразвукового оборудования (более 100 Вт). Концентрация наночастиц бора в жидкой среде изменяется в диапазоне от 0,0001 масс. % до 30 масс. %.

Использование воды (бидистиллированной или дистиллированной) в качестве одного из компонентов композиции является одним из главных преимуществ, так как конечная форма препарата для БНЗТ представлена в виде водной дисперсии наночастиц элементного бора, в отличие от традиционных методов синтеза наночастиц, где их получают в виде спекшегося порошка.

Обработка ультразвуком приводит к образованию наночастиц бора с активной поверхностью, взаимодействующей с водой. Авторами был определен положительный ξ-потенциал частиц после кавитации. Для увеличения срока хранения композиции без потери первоначальных свойств полученные композиции необходимо стабилизировать - это снизит их агломерацию на продолжительное время и сохранит размерные свойства частиц. Наличие заряда на поверхности частицы является предпосылкой к ее функционализации, так как позволяет частицам адсорбировать на своей поверхности ионы из раствора. Вследствие этого образуются адсорбционный слой, состоящий из потенциалопределяющих ионов и противоионов, и диффузный слой, содержащий остаточные противоионы.

Для повышения агрегативной устойчивости наночастиц бора ультразвуковое кавитационное воздействие осуществляться в присутствие солей металлов, дополнительно способствующих соизмельчению (скорость струи жидкости достигает 400 км/ч, Mason 1989; Hielscher 2005) и выполняющих роль редеспергирующих компонентов. Ультразвуковое воздействие высокой энергии и присутствие редеспергирующих компонентов в системе будет способствовать контролируемому разрушению структуры элементного бора и одновременно матричной изоляции новой структуры - формированию новой частицы или мицеллы, ядро которой представляет собой наночастицу бора, а стабилизирующая оболочка, например, ионы Na⁺ и Cl^- (Фиг. 1).

В реакционную смесь-дисперсию наночастиц бора в воде можно вводить, по крайней мере, одну стабилизирующую добавку. Стабилизирующая добавка - низкомолекулярные и/или олигомерные соединения (число повторяющихся звеньев n находится в пределах от 10 до 100), а также высокомолекулярные соединения (n>100), способствующее снижению степени агрегации, тем самым происходит стабилизация наночастиц бора, которая может осуществляться на разных этапах синтеза частиц: добавление стабилизатора на разных этапах кавитации или вводиться в готовую композицию в жидком виде (жидкой фазе). Стабилизация частиц происходит за счет пассивной адсорбции низкомолекулярных солей и/или олигомера/полимера на поверхности частицы, или из-за высокой вязкости их растворов.

Развивающимся методом стабилизации, является применение олигомеров и/или высокомолекулярных соединений, растворы которых обладают высокой вязкостью. В результате такой стабилизации, получившей название стерической, наночастицы будут окружены предохраняющим барьером, представляющим собой сплошной слой сольватированных полимерных цепей, в результате чего коллоидная система становится неограниченно устойчивой до тех пор, пока защитный слой останется неповрежденным. Применение олигомера и/или полимера в роли стабилизатора приводит к повышению кинетической устойчивости за счет увеличения вязкости коллоида с наночастицами бора. В качестве олигомеров и/или высокомолекулярных соединений для стабилизации используют молекулы биологического происхождения. К примеру, белки плазмы крови; антитела; гормоны.

Используют и вспомогательные стабилизаторы, например, добавки Е400-Е499 и/или их основное вещество фармакопейной чистоты (качества); полисахариды; жирные кислоты; белки растительного происхождения; производные аминокислот: 1-амино3-циклобутан-1-карбоновой кислоты и 1-амино-3-циклопентанкарбоновой кислоты; линейные и циклические пептиды; пурины, пиримидины, тимидины, нуклеозиды и нуклеотиды: 3-карборанильные тимидиновые аналоги; порфирины. Используют также плюроники; многоатомные спирты; полиэтиленгликоль;

поливинилпирролидон; поливиниловый спирт; синтетические полиаминокислоты.

В качестве элементного бора в виде порошка могут быть использованы изотопы бора: Бор-10, Бор-11 или их смесь в виде аморфного, крупнокристаллического и мелкокристаллического порошка или их смеси. Предпочтительно использовать изотоп Бор-10, где содержание основного компонента более 99%.

В качестве устройства, создающего кавитацию, используют магнитострикционный, пьезоэлектрический преобразователи. Во всех случаях ультразвуковое устройство преобразует электрическую мощность в вибрационную энергию с помощью преобразователя, который меняет свои размеры в ответ на приложенное электрическое поле переменного тока.

По данным литературных источников элементный бор образует несколько аллотропных модификаций (см. Таблицу 1), которые отличаются строением кристаллов. При этом мативом кристаллов является энергетически стабильная икосаэдрическая структура В₁₂. Образование той или иной модификации определяется технологическим методом получения элементного бора. Одновременно можно получать смесь различных модификаций.

Под действием высокого давления и температуры, возникающих при коллапсе кавитационных пузырьков в ультразвуковом поле на границе раздела фаз, происходит разрушение элементного бора. В результате такого воздействия происходит одновременно разрушение аморфных областей элементного бора и формирование новой молекулярной системы по механизму ассемблирования малых кластеров в высокоразмерные наносистемы.

Исследования размеров и формы частиц бора проводили с помощью таких методов, как динамическое светорассеяние, электронная микроскопия. Распределение наночастиц по размерам рассчитывали в автоматическом режиме динамического рассеяния света и на основе полученных микрофотографий с помощью программы ImageJ 1.48v.

Изобретение поясняется рисунками.

Фиг. 1 - пример стабилизации наночастиц бора хлоридом натрия.

Фиг. 2 - микрофотографии наночастиц бора размером 20-50 нм при увеличении: Х35000.

Фиг. 3 - диаграмма распределения частиц бора по размерам: 20 нм - 30%; 35 нм - 45%; 40 нм - 15%; 50 нм - 10%.

Фиг. 4 - диаграмма распределения частиц бора по размерам: 20 нм - 70%; 40 нм - 30%.

Фиг. 5 - микрофотографии наночастиц бора размером 5-20 нм при увеличении: Х45000.

Фиг. 6 - диаграмма распределения частиц бора по размерам: 4 нм - 30%; 8 нм - 40%; 10 нм - 15%; 15 нм - 15%.

Фиг. 7 - диаграмма распределения частиц бора по размерам: 10 нм - 50%; 16 нм - 30%; 20 нм - 20%.

При продолжительном воздействии ультразвука разных мощностей происходит наиболее эффективное измельчение частиц и одновременно их овализация или сфероидизация (Фиг. 2, Фиг. 4). Одновременно повышается монодисперность и содержание сферических частиц до 90-100%.

Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.

Пример 1. В 25,0 мл би-/дистиллированной воды добавляем 5,0 г порошка аморфного элементного бора. Исходная концентрация бора 20,0 масс. % или 190,0-200,0 мг/мл. Исходный размер частиц от 0,4 до 2,0 мкм. Воздействуют ультразвуком на микронную дисперсию элементного бора в воде в течение 200 минут. Процесс проводят с использованием ультразвукового оборудования с выходной мощностью 1,5±0,05 кВт, с интенсивностью ультразвуковых колебаний от 1,5 до 3,0 Вт/см³. Получена композиция, содержащая наночастицы размером 50 нм, с концентрацией 170,0-180,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора -положительный. Значение ξ-потенциала +13. Форма частиц неправильная с заостренными краями. Стабильность композиции во времени не более 96 часов.

Пример 2. Выполнен аналогично примеру 1, однако, в отличие от него было применено ультразвуковое оборудование с выходной мощностью 4,0±0,05 кВт, с интенсивностью ультразвуковых колебаний от 4,0 до 8,0 Вт/см³. Время воздействия на исходную дисперсию частиц бора в воде 200 минут - получена композиция, содержащая наночастицы размером 20 нм, с концентрацией 170,0-180,0 мг/мл Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - положительный. Значение ξ-потенциала +10. Форма частиц сферическая. Стабильность композиции во времени не более 96 часов.

Пример 3. Выполнен аналогично примеру 1, однако, в отличие от него было применено ультразвуковое оборудование с выходной мощностью 25,0±0,05 кВт, с интенсивностью ультразвуковых колебаний от 25,0 до 35,0 Вт/см³. Время воздействия на исходную дисперсию частиц бора в воде 70 минут - получена композиция, содержащая наночастицы размером <5 нм, с концентрацией 170,0-180,0 мг/мл Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - положительный. Значение ξ-потенциала +5. Форма частиц сферическая. Стабильность композиции во времени не более 96 часов.

Пример 4. Выполнен аналогично примеру 2, однако, в отличие от него время воздействия на исходную микронную дисперсию частиц бора в воде составило 350 минут - получена композиция, содержащая наночастицы размером 10±5 нм, с концентрацией 170,0-180,0 мг/мл Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - положительный. Значение ξ-потенциала +8. Форма частиц сферическая. Стабильность композиции во времени не более 96 часов.

Пример 5. Выполнен аналогично примеру 4. При этом перед обработкой ультразвуком в смесь вводят хлорид натрия в массовом соотношении (6op):(NaCl)=l:10, при этом концентрация соли составила 0,9% (данное процентное значение входит в интервал допустимых концентраций солевого раствора для введения в организм человека). После полного растворения хлорида натрия в воде в течение 3 минут, на анализируемый раствор воздействовали ультразвуком в течение 350 минут. Получена стабилизированная композиция, содержащая наночастицы размером 20±5 нм, с концентрацией 170,0-180,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный. Значение ξ-потенциала не менее +60. Форма частиц сферическая. Стабильность композиции во времени 3 месяца.

Пример 6. Выполнен аналогично примеру 4. При этом в момент обработки ультразвуком в смесь вводят хлорид натрия в массовом соотношении (наночастицы):(NaCl)=1:20, при этом концентрация соли составила 0,9% (данное процентное значение входит в интервал допустимых концентраций солевого раствора для введения в организм человека). После полного растворения хлорида натрия в воде в течение 3 минут, на анализируемый раствор в дальнейшем воздействовали ультразвуком. Получена стабилизированная композиция, содержащая наночастицы размером 8±5 нм, с концентрацией 170,0-180,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный. Значение ξ-потенциала не менее +65. Форма частиц сферическая. Стабильность композиции во времени более 1 года.

Пример 7. Выполнен аналогично примеру 6, но, в отличие от него, была применена стабилизирующая система KCl-LiCl, в массовом соотношении (наночастицы):(KCl-LiCl)=1:23. Масса исходного микронного порошка составила 10,0 г на 25,0 мл Н₂О. Исходная концентрация бора 40,0 масс. % или 390,0-400,0 мг/мл. Концентрация смеси солей составила 0,9% (данное процентное значение входит в интервал допустимых концентраций солевого раствора для введения в организм человека). После полного растворения хлорида натрия в воде в течение 3 минут, на анализируемый раствор в дальнейшем воздействовали ультразвуком. Получена стабилизированная композиция, содержащая наночастицы размером 10±5 нм, с концентрацией 390,0-400,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный. Значение ξ-потенциала не менее +59. Форма частиц сферическая. Стабильность композиции во времени более 2 лет.

Пример 8. Выполнен аналогично примеру 6, но в отличие от него, был применен стабилизатор цитрат натрия, в массовом соотношении (наночастицы):(Na₃C₆H₅O₇)=1:20. Масса исходного микронного порошка составила 10,0 г на 25,0 мл Н₂О. Исходная концентрация бора 40,0 масс. % или 390,0-400,0 мг/мл. После полного растворения цитрата натрия в воде в течение 3 минут, на анализируемый раствор в дальнейшем воздействовали ультразвуком. Получена стабилизированная композиция, содержащая наночастицы размером 8±5 нм, с концентрацией 390,0-400,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный. Значение потенциала не менее +50. Форма частиц сферическая. Стабильность композиции во времени более 1 года.

Пример 9. Выполнен аналогично примеру 6, но в отличие от него, был применен стабилизатор ацетат натрия, в массовом соотношении (наночастицы):(Na₃C₆H₅O₇)=1:25. Масса исходного микронного порошка составила 10,0 г на 25,0 мл Н₂О. Исходная концентрация бора 40,0 масс. % или 390,0-400,0 мг/мл. После полного растворения ацетата натрия в воде в течение 3 минут, на анализируемый раствор в дальнейшем воздействовали ультразвуком. Получена стабилизированная композиция, содержащая наночастицы размером 12±5 нм, с концентрацией 390,0-400,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный. Значение ξ-потенциала не менее +55. Форма частиц сферическая. Стабильность композиции во времени более 1 года.

Пример 10. Выполнен аналогично примеру 6, однако, в отличие от него, в качестве стабилизатора применили высокомолекулярное соединение - карбоксиметилцеллюлозу, со значением молекулярной массы - 220 кДа. Композицию, содержащую наночастицы бора, при перемешивании влили в раствор карбоксиметилцеллюлозы для полного распределения частиц в матрице высокомолекулярного стабилизатора. Было выявлено, что применение водного раствора карбоксиметилцеллюлозы с концентрацией от 2% до 5%, является оптимальным, так как вязкость раствора значительно повышена, но при этом не имеет структуру геля. Поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный; значение ξ-потенциала +65; форма частиц сферическая; время устойчивости полученной композиции - более 3 лет.

Пример 11. Выполнен аналогично примеру 6, однако, в отличие от него был применен порошок крупнокристаллического элементного бора, с исходным размером частиц: 0,5-1,0 мкм. Время воздействия ультразвуком на исходную микронную дисперсию частиц крупнокристаллического бора в присутствии NaCl 350 минут - получена композиция, содержащая наночастицы размером ≈ 100 нм; концентрация наночастиц 170,0-180,0 мг/мл Н₂О; поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный; значение ξ-потенциала от +50; форма наночастиц сферическая; стабильность композиции во времени более 1 года.

Пример 12. Выполнен аналогично примеру 11, однако, в отличие от него время воздействия на дисперсию частиц бора в воде составило 600 минут - получена композиция, содержащая наночастицы размером 5±3 нм, с концентрацией 170,0-180,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный. Значение ξ-потенциала +60. Форма частиц сферическая. Стабильность композиции во времени более 1 года.

Пример 13. Выполнен аналогично примеру 6, однако, в отличие от него был применен порошок мелкокристаллического элементного бора, с исходным размером частиц: 0,4-1,2 мкм. Время воздействия ультразвуком на исходную микронную дисперсию частиц мелкокристаллического бора в воде в присутствии NaCl 350 минут - получена композиция, содержащая наночастицы размером ≈ 80 нм; концентрация наночастиц 170,0-180,0 мг/мл Н₂О; поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный; значение ξ-потенциала от +68; форма наночастиц сферическая; стабильность композиции во времени более 1 года.

Пример 14. Выполнен аналогично примеру 13, однако, в отличие от него время воздействия на дисперсию частиц бора в воде составило 500 минут - получена композиция, содержащая наночастицы размером 10±5 нм, с концентрацией 170,0-180,0 мг/мл Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный. Значение ξ-потенциала +70. Форма частиц сферическая. Стабильность композиции во времени более 1 года.

Пример 15. В би-/дистиллированную воду в количестве 25,0 мл добавляем 5,0 г порошкообразного аморфного бора. Исходная концентрация бора 20,0 масс. % или от 190,0-200,0 мг/мл. Исходный размер частиц 0,5-2,0 мкм. Процесс проводили с использованием ультразвукового оборудования, с выходной мощностью 4,0±0,5 кВт, с интенсивностью ультразвуковых колебаний 4,0-8,0 Вт/см³. Воздействуем ультразвуком на дисперсию частиц элементного бора в воде в течение 200 минут. Затем отбираем верхнюю часть.

Объем отобранной части составляет примерно 50,0 об. % от всего объема системы. Размер частиц бора в отобранной части 50 нм. На отобранную часть повторно воздействуем ультразвуком в течение от 200 минут. В результате получена композиция, содержащая наночастицы размером 5±1 нм, с концентрацией 85,0-90,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - положительный. Значение ξ-потенциала от +6. Форма частиц сферическая. Стабильность во времени не более 96 часов. Оставшуюся часть, примерно 50,0 об. %, концентрируем для последующей обработки ультразвуком.

Пример 16. Выполнен аналогично примеру 15, однако, в отличие от него, объем отобранной дисперсии после 200 минут обработки ультразвуком составил примерно 10,0% от всего объема системы. Размер частиц бора в отобранной части 50 нм. На отобранную часть повторно воздействуем ультразвуком в течение от 200 минут. В результате получена композиция, содержащая наночастицы размером 2-5 нм, с концентрацией 17,0-18,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - положительный. Значение ξ-потенциала от +2. Форма частиц сферическая. Стабильность во времени не более 96 часов. Оставшуюся часть, примерно 90,0 об. %, концентрируем для последующей обработки ультразвуком.

Пример 17. Для оценки параметра по редиспергированию нанопорошка бора, отобранные сконцентрированные примерно 55,0 об. % (или 90,0 об. %) дисперсию частиц (50 нм) в воде использовали для получения наночастиц бора, размером меньше 10 нм для каждого типа бора. Получение нанодисперсии частиц проводили аналогично примерам 13-14. После получения наночастиц в воде с необходимым размером (≈10 нм), дисперсию концентрировали посредствам лиофильной сушки под вакуумом. После получения наночастиц бора в виде порошка, процесс редиспергирования проводили следующим образом: в 10,0 мл би-/дистиллированной воды добавили 3,0 г или 12,0 масс. % порошка наночастиц бора; воздействовали ультразвуковым оборудованием различных мощностей в течение 2 минут. Размерные свойства наночастиц сохранились.

Пример 18. В полученную как указано в примере 17 композицию с наночастицами бора вводят хлорида натрия в массовом соотношении (наночастицы):(NaCl)=1:20, при этом концентрация соли составила 0,9% (данное процентное значение входит в интервал допустимых концентраций солевого раствора для введения в организм человека). После полного растворения хлорида натрия в воде в течение 3 минут, на анализируемый раствор снова воздействовали ультразвуком в течение 2 минут. Получена стабилизированная композиция, содержащая наночастицы размером ≈ 10 нм, с концентрацией 85,0-90,0 мг/мл (или 17-18 мг/мл) наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - нейтральный. Значение ξ-потенциала более +55. Форма частиц сферическая. Устойчивость композиции во времени наблюдалась более 2 лет.

Пример 19. В 25,0 мл би-/дистиллированной воды добавляем 5,0 г порошка аморфного элементного бора. Исходная концентрация бора 20,0 масс. % или 190,0-200,0 мг/мл. Исходный размер частиц от 0,4 до 2,0 мкм. Воздействуют ультразвуком на микронную дисперсию элементного бора в воде в течение 600 минут. Процесс проводят с использованием ультразвукового оборудования с выходной мощностью 0,3±0,03 кВт, с интенсивностью ультразвуковых колебаний от 1 до 1,5 Вт/см³. Получена композиция, содержащая частицы размером менее 100 нм, с концентрацией 170,0-185,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора-положительный. Значение ξ-потенциала +21. Форма частиц неправильная с заостренными краями. Стабильность композиции во времени не более 96 часов.

Пример 20. В 25,0 мл би-/дистиллированной воды добавляем 5,0 г порошка аморфного элементного бора. Исходная концентрация бора 20,0 масс. % или 190,0-200,0 мг/мл. Исходный размер частиц от 0,4 до 2,0 мкм. Воздействуют ультразвуком на микронную дисперсию элементного бора в воде в течение 10 минут. Процесс проводят с использованием ультразвукового оборудования с выходной мощностью 25,0±0,05 кВт, с интенсивностью ультразвуковых колебаний 1000,0 Вт/см³. Получена композиция, содержащая частицы размером <5 нм, с концентрацией 180,0-185,0 мг/мл наночастиц в Н₂О. Поверхностный заряд наночастиц бора - положительный. Значение ξ-потенциала +10. Форма частиц неправильная с заостренными краями. Стабильность композиции во времени не более 96 часов.

Поскольку основное действие получаемых композиций направлено на терапию рака при облучении нейтронами, были проведены биологические тесты, направленные на определение токсичности, накопления бора и эффективности БНЗТ.

Исследования проведены с составами, описанными в примерах 1-20.

Модельные эксперименты были выполнены на клеточных линиях злокачественных глиом человека U251, U87, Т98, и животных F98, С6, GL261.

После инкубации клеток с наночастицами бора количественный анализ содержания бора в клетках проводился методом атомно-эмиссионной спектроскопии в индуктивно-связанной плазме.

Данные цитотоксичности показали низкую токсичность наночастиц в терапевтическом диапазоне концентрации бора выше значения 30 мкг/г-ткани (или г-клеточной массы), что подтвердило пригодность наночастиц для дальнейших экспериментов по облучению.

Экспериментальное доклиническое использование БНЗТ приближенное к реальным клиническим условиям с применением синтезированных композиций, содержащих наночастицы бора, было проведено с использованием источника нейтронов на основе ускорителя в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, в Новосибирске. В настоящее время, в ИЯФ СО РАН предложена, создана и работает установка на основе нового типа ускорителя заряженных частиц - ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией. На установке реализована генерация нейтронов и сформирован поток эпитепловых нейтронов.

Установлено, что облучение нейтронами опухолевых клеток, предварительно инкубированных в среде с наночастицами бора, ведет к значительному подавлению их жизнеспособности. Облучение мышей с привитой опухолью глиобластомы человека приводит к их полному излечению.

Реферат

Группа изобретений относится к области медицины, а именно к способу получения композиции для бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей, содержащей наночастицы бора размером менее 100 нм, характеризующемуся тем, что порошок элементного бора помещают в воду и обрабатывают в течение от 0,5 до 800 минут ультразвуком с интенсивностью колебаний от 1 до 1000 Вт/сми выходной мощностью более 100 Вт и к способу получения композиции для бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей, содержащей наночастицы бора размером менее 100 нм, характеризующемуся тем, что порошок элементного бора помещают в воду и обрабатывают в течение от 30 до 300 минут ультразвуком с интенсивностью колебаний от 1 до 1000 Вт/сми выходной мощностью более 100 Вт, затем отбирают верхнюю часть композиции в объеме менее 50 об. % от всего объема композиции и обрабатывают эту часть ультразвуком с интенсивностью колебаний от 1 до 1000 Вт/сми выходной мощностью более 100 Вт в течение 250-300 минут. Группа изобретений обеспечивает получение композиций для бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей с высоким содержанием стабильных во времени наночастиц бора. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл., 20 пр.

Формула