Nowe badania obalają stare przekonania na temat nanocząstek złota i raka

Badania obalają dawne poglądy na temat nanocząstek złota, pokazując, że większe, w kształcie gwiazdy, są najskuteczniejsze w walce z rakiem, co prowadzi do modelu, który udoskonala projektowanie terapii.

Naukowcy zakładali wcześniej, że im mniejsze nanocząsteczki użyte do walki z komórkami nowotworowymi, tym szybciej umierają. Logika tej teorii jest taka, że ​​małym nanocząstkom po prostu łatwiej byłoby przedostać się do wnętrza komórki nowotworowej, gdzie ich obecność doprowadziłaby do zaburzeń metabolicznych i ostatecznie do śmierci komórki.

Teraz badacze wykorzystali nowatorską technikę mikroskopową, aby odkryć bardziej interesujący, złożony obraz tych interakcji.

Wyniki badania opublikowano niedawno w czasopiśmie Nano Mikro Małyzostało przeprowadzone przez Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) i poparte analizami teoretycznymi wykonanymi na Uniwersytecie Rzeszowskim (UR) i Politechnice Rzeszowskiej.

Komórki raka jelita grubego po interakcji z małymi kulistymi nanocząsteczkami złota nie zmieniły swojej morfologii i nadal są zdolne do podziału. Źródło: IFJ PAN

Innowacje w produkcji i testowaniu nanocząstek

„Nasz instytut dysponuje najnowocześniejszym centrum medycznym i akceleratorowym radioterapii protonowej. Kiedy więc kilka lat temu pojawiły się doniesienia, że ​​nanocząsteczki złota mogą być dobrymi środkami uwrażliwiającymi na promieniowanie i zwiększać skuteczność tego rodzaju terapii, sami zaczęliśmy je syntetyzować i testować ich interakcję z komórkami nowotworowymi. Szybko przekonaliśmy się, że toksyczność nanocząstek nie zawsze była zgodna z oczekiwaniami” – mówi dr inż. Joanna Depciuch-Czarny (IFJ PAN), inicjatorka badań i pierwsza autorka.

Nanocząstki można wytwarzać różnymi metodami, uzyskując cząstki o różnych rozmiarach i kształtach. Niedługo po rozpoczęciu własnych eksperymentów z nanocząsteczkami złota fizycy z IFJ PAN zauważyli, że w biologii nie obowiązuje popularna zasada, że ​​ich toksyczność jest tym większa, im są mniejsze. Sferyczne nanocząstki o wielkości 10 nanometrów, wyprodukowane w Krakowie, okazały się praktycznie nieszkodliwe dla badanej linii komórek glejaka. Jednakże wysoką śmiertelność zaobserwowano w komórkach narażonych na działanie nanocząstek o wielkości nawet 200 nanometrów, ale o strukturze w kształcie gwiazdy.

Mikroskopia holotomograficzna: przełom w badaniach nad rakiem

Wyjaśnienie stwierdzonej sprzeczności stało się możliwe dzięki zastosowaniu pierwszego w Polsce mikroskopu holotomograficznego, zakupionego przez IFJ PAN ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Typowy tomograf komputerowy skanuje ludzkie ciało za pomocą promieni rentgenowskich i rekonstruuje jego przestrzenną strukturę wewnętrzną fragment po przekroju. W biologii podobną funkcję pełni od niedawna mikroskop holotomograficzny. Tutaj komórki również są omiatane wiązką promieniowania, ale nie promieniowania wysokoenergetycznego, ale promieniowania elektromagnetycznego. Jego energia jest tak dobrana, aby fotony nie zakłócały metabolizmu komórkowego. Wynikiem skanowania jest zestaw przekrojów holograficznych zawierających informację o rozkładzie zmian współczynnika załamania światła. Ponieważ światło inaczej załamuje się w cytoplazmie, a inaczej na błonie komórkowej czy jądrze, możliwa jest rekonstrukcja trójwymiarowego obrazu zarówno samej komórki, jak i jej wnętrza.

Depciuch-Czarn wyjaśnił: „W przeciwieństwie do innych technik mikroskopii o wysokiej rozdzielczości, holotomografia nie wymaga przygotowania próbek ani wprowadzania do komórek jakichkolwiek obcych substancji. Oddziaływania nanocząstek złota z komórkami nowotworowymi można było zatem obserwować bezpośrednio w inkubatorze, gdzie te ostatnie hodowano, w niezakłóconym środowisku, w dodatku z rozdzielczością nanometryczną, ze wszystkich stron jednocześnie i praktycznie w czasie rzeczywistym.”

Wpływ kształtu nanocząstek na leczenie raka

Unikalne cechy holotomografii pozwoliły fizykom określić przyczyny nieoczekiwanego zachowania komórek nowotworowych w obecności nanocząstek złota. Przeprowadzono serię eksperymentów na trzech liniach komórkowych: dwóch glejakach i jednej okrężnicy. Zaobserwowano m.in., że choć małe, kuliste nanocząstki z łatwością przenikają do komórek nowotworowych, komórki te regenerują się, a nawet zaczynają ponownie dzielić, pomimo początkowego stresu. W przypadku komórek raka jelita grubego nanocząstki złota zostały szybko z nich wypchnięte. Inaczej sytuacja wyglądała w przypadku dużych nanocząstek w kształcie gwiazdy. Ich ostre końcówki przebiły błony komórkowe, co najprawdopodobniej spowodowało wzrost stresu oksydacyjnego wewnątrz komórek. Kiedy komórki te nie były już w stanie poradzić sobie z naprawą rosnących uszkodzeń, uruchamiał się mechanizm apoptozy, czyli zaprogramowanej śmierci.

Modelowanie teoretyczne i zastosowania praktyczne

„Dane z eksperymentów krakowskich wykorzystaliśmy do zbudowania teoretycznego modelu procesu osadzania się nanocząstek wewnątrz badanych komórek. Efektem końcowym jest równanie różniczkowe, do którego można podstawić odpowiednio przetworzone parametry – na razie opisujące jedynie kształt i wielkość nanocząstek – aby szybko określić, jak będzie przebiegał pobieranie analizowanych cząstek przez komórki nowotworowe w zadanym okresie czasu – mówi dr Paweł Jakubczyk, profesor UR i współautor modelu. „Każdy naukowiec może już na etapie projektowania własnych badań wykorzystać nasz model, aby błyskawicznie zawęzić liczbę wariantów nanocząstek wymagających weryfikacji eksperymentalnej”.

Możliwość łatwego ograniczenia liczby potencjalnych eksperymentów do przeprowadzenia oznacza zmniejszenie kosztów związanych z zakupem linii komórkowych i odczynników, a także wyraźne skrócenie czasu badań (samo wyhodowanie trwa zwykle około dwóch tygodni). dostępna na rynku linia komórkowa). Ponadto model może zostać wykorzystany do projektowania lepiej niż dotychczas ukierunkowanych terapii – takich, w których nanocząstki będą szczególnie dobrze wchłaniane przez wybrane komórki nowotworowe, przy zachowaniu stosunkowo niskiej lub nawet zerowej toksyczności dla zdrowych komórek w pozostałych narządach pacjenta.

Przyszłe kierunki badań nad rakiem nanocząsteczek

Krakowsko-rzeszowska grupa naukowców już przygotowuje się do kontynuacji badań. Nowe eksperymenty powinny wkrótce umożliwić rozszerzenie modelu oddziaływania nanocząstek z komórkami nowotworowymi o kolejne parametry, takie jak skład chemiczny cząstek czy kolejne typy nowotworów. Późniejsze plany obejmują także uzupełnienie modelu o elementy matematyczne w celu optymalizacji skuteczności terapii foto- lub protonowej dla wskazanych kombinacji nanocząstek i nowotworów.

Odniesienie: „Modelowanie dynamiki absorpcji glejaka wielopostaciowego i komórek okrężnicy o różnym kształcie złota w oparciu o rozkład współczynnika załamania światła w obrazowaniu holotomograficznym” autorstwa Joanny Depciuch, Pawła Jakubczyka, Doroty Jakubczyk, Bartosza Klebowskiego, Justyny ​​Miszczyk i Magdaleny Parlińskiej-Wojtan, 15 maja 2024 r., Mały.
DOI: 10.1002/smll.202400778