Kvantefysik hjælper med at ødelægge kræftceller

Kræftcelledød udløses inden for tre dage, når røntgenstråler fokuseres på tumorvæv, der indeholder jod-bærende nanopartikler. Jodet frigiver elektroner, der bryder tumorens DNA, fører til celledød. Fundene, af forskere ved Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) og kolleger i Japan og USA, blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

"At udsætte et metal for lys fører til frigivelse af elektroner, et fænomen kaldet den fotoelektriske effekt. En forklaring på dette fænomen af ​​Albert Einstein i 1905 indvarslede kvantefysikkens fødsel, " siger iCeMS molekylærbiolog Fuyuhiko Tamanoi, der ledede undersøgelsen. "Vores forskning giver beviser, der tyder på, at det er muligt at reproducere denne effekt inde i kræftceller."

Et langvarigt problem med cancerstrålebehandling er, at den ikke er effektiv i centrum af tumorer, hvor iltniveauet er lavt på grund af manglen på dybtgennemtrængende blodkar. Røntgenbestråling har brug for ilt for at generere DNA-skadende reaktivt ilt, når strålerne rammer molekyler inde i cellen.

Tamanoi, sammen med Kotaro Matsumoto og kolleger har forsøgt at overvinde dette problem ved at finde mere direkte måder at beskadige cancer-DNA. I tidligere arbejde, de viste, at gadolinium-ladede nanopartikler kunne dræbe kræftceller, når de blev bestrålet med 50,25 kiloelektronvolt synkrotron-genererede røntgenstråler.

I den aktuelle undersøgelse, de designede porøse, jod-bærende organosilica nanopartikler. Jod er billigere end gadolinium og frigiver elektroner ved lavere energiniveauer.

Forskerne spredte deres nanopartikler gennem tumorsfæroider, 3D-væv indeholdende flere kræftceller. Bestråling af sfæroiderne i 30 minutter med 33,2 keV røntgenstråler førte til deres fuldstændige ødelæggelse inden for tre dage. Ved systematisk at ændre energiniveauet, de var i stand til at påvise, at den optimale effekt af tumorødelæggelse opstår med 33,2 keV røntgen.

Yderligere analyser viste, at nanopartiklerne blev optaget af tumorcellerne, lokaliseres lige uden for deres kerner. At skinne den helt rigtige mængde røntgenenergi på vævet fik jod til at frigive elektroner, som derefter forårsagede dobbeltstrengsbrud i det nukleare DNA, udløser celledød.

"Vores undersøgelse repræsenterer et vigtigt eksempel på at anvende et kvantefysisk fænomen inde i en kræftcelle, " siger Matsumoto. "Det ser ud til, at en sky af lavenergielektroner genereres tæt på DNA, forårsager dobbeltstrengsbrud, som er svære at reparere, i sidste ende fører til programmeret celledød."

Holdet ønsker derefter at forstå, hvordan elektroner frigives fra jodatomer, når de udsættes for røntgenstråler. De arbejder også på at placere jod på DNA i stedet for i nærheden af ​​det for at øge effektiviteten, og at teste nanopartiklerne på musemodeller af kræft.