Nanopartikler giver en målrettet version af fototermisk terapi for kræft

(PhysOrg.com) -- Brug af let tilberedte guld nanokager, der er i stand til at undslippe blodstrømmen og akkumuleres i tumorer, et hold af efterforskere fra Washington University i St. Louis har vist, at de kan bruge laserlys til at dræbe humane tumorer i mus. Resultaterne af denne undersøgelse, som blev ledet af Younan Xia og Michael Welch, er blevet offentliggjort i tidsskriftet Lille .

Selvom brugen af ​​guld nanocages til behandling af kræft hos mennesker stadig er flere år fra kliniske forsøg, forskerne er opmuntret af deres seneste resultater. "Vi så betydelige ændringer i tumormetabolisme og histologi, " siger Dr. Welch, "hvilket er bemærkelsesværdigt i betragtning af, at arbejdet var undersøgende, laser 'dosis' var ikke blevet maksimeret, og tumorerne var 'passivt' snarere end 'aktivt' målrettet."

Selve nanocages er harmløse i fravær af lysenergi. "Guldsalte og guldkolloider er blevet brugt til at behandle gigt i mere end 100 år, " siger Dr. Welch. "Folk ved, hvad guld gør i kroppen, og det er inert, så vi håber, at dette vil være en giftfri tilgang."

Guld nanocages er hule kasser lavet ved at udfælde guld på sølv nanokuber. Sølvet eroderer samtidig inde fra kuben, kommer ind i opløsning gennem porer, der åbner sig i de afklippede hjørner af kuben. Suspensioner af guld nanocages, som har nogenlunde samme størrelse som en viruspartikel, er ikke altid gule, som man kunne forvente, men i stedet kan være en hvilken som helst farve i regnbuen. Farven på en suspension af nanocages afhænger af tykkelsen af ​​burenes vægge og størrelsen af ​​porer i disse vægge. Ligesom deres farve, deres evne til at absorbere lys og omdanne det til varme kan kontrolleres præcist. "Nøglen til fototermisk terapi, " siger Dr. Xia, "er burenes evne til effektivt at absorbere lys og omdanne det til varme."

Guld nanocages er farvet takket være en proces kendt som overflade plasmon resonans. Nogle af elektronerne i guldet er ikke forankret til individuelle atomer, men danner i stedet en fritsvævende elektrongas, Dr. Xia forklarer. Lys, der falder på disse elektroner, kan få dem til at svinge som én. Denne kollektive svingning, overflade plasmon, vælger en bestemt bølgelængde, eller farve, ud af det indfaldende lys, og dette bestemmer farven, som en given guld nanocage tager i opløsning. Resonansen - og farven - kan indstilles over en bred vifte af bølgelængder ved at ændre tykkelsen af ​​burenes vægge. Til biomedicinske anvendelser, Dr. Xia og hans kolleger indstillede burene til at absorbere lys ved 800 nanometer, en bølgelængde, der falder i et vindue med vævsgennemsigtighed, der ligger mellem 750 og 900 nanometer, i den nær-infrarøde del af spektret. Lys i denne søde plet kan trænge så dybt som flere centimeter ind i kroppen (enten fra huden eller det indre af mave-tarmkanalen eller andre organsystemer).

Omdannelsen af ​​lys til varme opstår fra den samme fysiske effekt som farven. Overfladeplasmonresonansen har to dele. Ved resonansfrekvensen, lys spredes typisk både af burene og absorberes af dem. Ved at kontrollere burenes størrelse, Dr. Xia og hans samarbejdspartnere skræddersyer dem for at opnå maksimal absorption. De finjusterer også nanocages evne til at forblive i blodstrømmen ved at belægge dem med en biokompatibel polymer kendt som polyethylenglycol (PEG).

I Dr. Welchs laboratorium, mus med tumorer på begge flanker blev tilfældigt opdelt i to grupper. Musene i den ene gruppe blev injiceret med de PEG-coatede nanocages og dem i den anden med bufferopløsning. Flere dage senere blev den højre tumor fra hvert dyr udsat for en diodelaser i 10 minutter. Holdet brugte derefter flere forskellige ikke-invasive billedbehandlingsteknikker til at følge virkningerne af terapien. Under bestråling, termiske billeder af musene blev lavet med et infrarødt kamera. Som det er tilfældet med andre dyr, der automatisk regulerer deres kropstemperatur, museceller fungerer kun optimalt, hvis musens kropstemperatur forbliver mellem 36,5 og 37,5 grader celsius. Ved temperaturer over 42 grader Celsius (107 grader Fahrenheit) begynder cellerne at dø, da de proteiner, hvis korrekte funktion fastholder dem, begynder at udfolde sig.

Infrarøde billeder, der er lavet, mens tumorer blev bestrålet med en laser, viser, at i nanocage-injicerede mus, tumorens overflade blev hurtigt varm nok til at dræbe celler. I puffer-injicerede mus, temperaturen rykkede næsten ikke. Ja, i de nanocage-injicerede mus, hudoverfladetemperaturen steg hurtigt fra 32 grader Celsius til 54 grader C, mens de er i de bufferinjicerede mus, overfladetemperaturen forblev under normal kropstemperatur på 37 grader Celsius.

For at se, hvilken effekt denne opvarmning havde på tumorerne, musene blev injiceret med et positron emission tomografi (PET) kontrastmiddel, der bruges til at måle cellulær metabolisme. Tumorerne fra nanocage-injicerede mus var signifikant svagere på PET-scanningerne end hos puffer-injicerede mus, hvilket indikerer, at mange tumorceller ikke længere fungerede. Positron-emissionsscanninger foretaget efter fototermisk behandling viste, at tumorerne i puffer-injicerede mus stadig var metabolisk aktive, hvorimod dem i nanocage-injicerede mus ikke var. Denne specificitet er det, der gør fototermisk terapi så attraktiv som en cancerterapi. Tumorerne i de nanocage-behandlede mus viste sig senere at have markante histologiske tegn på cellulær skade.

På trods af disse resultater, Dr. Xia er utilfreds med passiv målretning. Selvom tumorerne optog nok guld nanocages til at give dem en sort afstøbning, kun 6 procent af de injicerede partikler akkumulerede på tumorstedet. Det tal ville han gerne være tættere på 40 procent, så der skulle sprøjtes færre partikler ind. Han planlægger at vedhæfte skræddersyede ligander til nanocages, der genkender og låser sig fast på receptorer på overfladen af ​​tumorcellerne. Ud over at designe nanocages, der aktivt målretter mod tumorcellerne, holdet overvejer at fylde de hule partikler med et kræftbekæmpende lægemiddel, så svulsten ville blive angrebet på to fronter.

Dette arbejde, som blev støttet af National Cancer Institute, er detaljeret beskrevet i papiret "Gold Nanocages as Photothermal Transducers for Cancer Treatment." Et sammendrag af denne artikel er tilgængelig på tidsskriftets hjemmeside.