Gouddeeltjes ter grootte van miljardsten van een meter zijn dodelijk voor kankercellen. Dit feit is al lang bekend, evenals een simpele correlatie: hoe kleiner de nanodeeltjes die worden gebruikt om de kankercellen te bestrijden, hoe sneller ze afsterven. Er komt echter een interessanter en complexer beeld van deze interacties naar voren uit het laatste onderzoek, uitgevoerd aan het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen, met behulp van een nieuwe microscopische techniek.
Kleinere doden sneller – dit is wat eerder werd gedacht over gouden nanodeeltjes die worden gebruikt om kankercellen te bestrijden. Wetenschappers dachten dat kleine nanodeeltjes het eenvoudigweg gemakkelijker zouden vinden om het inwendige van een kankercel binnen te dringen, waar hun aanwezigheid zou leiden tot metabolische stoornissen en uiteindelijk celdood. De realiteit blijkt echter complexer te zijn, zoals blijkt uit onderzoek uitgevoerd door wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, ondersteund door theoretische analyses uitgevoerd aan de Universiteit van Rzeszow ( UR) en de Technische Universiteit van Rzeszow.
“Ons instituut beschikt over een state-of-the-art medisch en acceleratorcentrum voor protonen radiotherapie. Dus toen er een paar jaar geleden berichten verschenen dat gouden nanodeeltjes goede radio sensitizers zouden kunnen zijn en de effectiviteit van dit soort therapie zouden kunnen vergroten, zijn we ze zelf gaan synthetiseren en hun interactie met kankercellen testen. We kwamen er al snel achter dat de toxiciteit van nanodeeltjes niet altijd was zoals verwacht”, zegt Dr. Eng. Joanna Depciuch-Czarny (IFJ PAN), initiatiefnemer van het onderzoek en hoofdauteur van het artikel in het tijdschrift Nano Micro Small, waarin de resultaten worden besproken,
Nanodeeltjes kunnen op verschillende manieren worden geproduceerd, waardoor deeltjes van verschillende afmetingen en vormen ontstaan. Kort nadat ze hun eigen experimenten met gouden nanodeeltjes begonnen, merkten de IFJ PAN-natuurkundigen dat de biologie niet de populaire regel volgt dat hun toxiciteit groter is naarmate ze kleiner zijn. Bolvormige nanodeeltjes van 10 nanometer groot, geproduceerd in Krakau, bleken vrijwel onschadelijk voor de onderzochte glioom cellijn. Er werd echter een hoge mortaliteit waargenomen in cellen die werden blootgesteld aan nanodeeltjes zo groot als 200 nanometer, maar met een stervormige structuur.
Opheldering van de genoemde tegenstrijdigheid werd mogelijk dankzij het gebruik van de eerste holotomografische microscoop in Polen, gekocht door IFJ PAN met financiering van het Poolse Ministerie van Wetenschap en Hoger Onderwijs.
Een typische CT-scanner scant het menselijk lichaam met behulp van röntgenstralen en reconstrueert de ruimtelijke interne structuur sectie per sectie. In de biologie is onlangs een soortgelijke functie uitgevoerd door de holotomografische microscoop. Hier worden de cellen ook belaagd door een stralingsbundel, alleen geen hoogenergetische straling, maar elektromagnetische straling. De energie ervan is zo gekozen dat de fotonen het celmetabolisme niet verstoren. Het resultaat van de scan is een reeks holografische dwarsdoorsneden die informatie bevatten over de verdeling van veranderingen in de brekingsindex. Omdat licht anders breekt op het cytoplasma en anders op het celmembraan of de celkern, is het mogelijk een driedimensionaal beeld te reconstrueren van zowel de cel zelf als het inwendige ervan.
“In tegenstelling tot andere microscopie technieken met hoge resolutie vereist holotomografie geen voorbereiding van monsters of de introductie van vreemde stoffen in de cellen. De interacties van gouden nanodeeltjes met kankercellen konden daarom direct worden waargenomen in de incubator, waar deze werden gekweekt, in een ongestoorde omgeving, bovendien met nanometrische resolutie, van alle kanten tegelijkertijd en praktisch in realtime””, somt Dr. Depciuch op. -Czarny.
Dankzij de unieke kenmerken van holotomografie konden natuurkundigen de oorzaken vaststellen van het onverwachte gedrag van kankercellen in de aanwezigheid van gouden nanodeeltjes. Er werd een reeks experimenten uitgevoerd met drie cellijnen: twee gliomen en één colon. Er werd onder meer waargenomen dat hoewel de kleine, bolvormige nanodeeltjes gemakkelijk de kankercellen binnendrongen, de cellen zich regenereerden en zelfs weer begonnen te delen, ondanks de aanvankelijke stress. In het geval van darmkanker cellen werden de gouden nanodeeltjes er snel uit geduwd. Voor de grote stervormige nanodeeltjes was de situatie anders. Hun scherpe punten perforeerden de celmembranen, wat hoogstwaarschijnlijk resulteerde in toenemende oxidatieve stress in de cellen. Toen deze cellen het herstel van de toenemende schade niet langer aankonden, werd het mechanisme van apoptose, oftewel geprogrammeerde dood, in werking gesteld.
“We hebben de gegevens van de experimenten in Krakau gebruikt om een theoretisch model te bouwen van het proces van de afzetting van nanodeeltjes in de onderzochte cellen. Het uiteindelijke resultaat is een differentiaalvergelijking waarin op passende wijze verwerkte parameters kunnen worden vervangen – die voorlopig alleen de vorm en grootte van nanodeeltjes beschrijven – om snel te bepalen hoe de opname van de geanalyseerde deeltjes door kankercellen over een bepaalde tijdsperiode zal verlopen. ”, zegt Dr. Pawel Jakubczyk, professor aan de UR en co-auteur van het model, en benadrukt vervolgens: “Elke wetenschapper kan ons model al in de ontwerpfase van zijn eigen onderzoek gebruiken om het aantal nanodeeltjes onmiddellijk te beperken qua varianten waarvoor experimentele verificatie vereist is”.
De mogelijkheid om het aantal potentiële experimenten dat moet worden uitgevoerd gemakkelijk te verminderen, betekent een verlaging van de kosten die gepaard gaan met de aanschaf van cellijnen en reagentia, evenals een duidelijke vermindering van de onderzoekstijd (het duurt doorgaans ongeveer twee weken om alleen al een kweek te maken). Bovendien kan het model worden gebruikt om beter gerichte therapieën te ontwerpen dan voorheen – therapieën waarbij de nanodeeltjes bijzonder goed worden geabsorbeerd door geselecteerde kankercellen, terwijl de toxiciteit voor gezonde cellen in de andere organen van de patiënt relatief laag of zelfs nul blijft.
De Krakau-Rzeszow-groep van wetenschappers bereidt zich al voor om hun onderzoek voort te zetten. Nieuwe experimenten moeten het binnenkort mogelijk maken om het model van de interactie van nanodeeltjes met kankercellen uit te breiden met verdere parameters, zoals de chemische samenstelling van de deeltjes of andere tumortypen. Latere plannen omvatten ook het aanvullen van het model met wiskundige elementen om de effectiviteit van foto- of protonentherapie voor geïndiceerde combinaties van nanodeeltjes en tumoren te optimaliseren.
Vertaling: Andre Teirlinck
Bron: Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen