Частицы золота размером в миллиардные доли метра смертельны для раковых клеток. Этот факт известен давно, как и простая корреляция: чем меньше наночастицы, используемые для борьбы с раковыми клетками, тем быстрее они погибают. Однако более интересная, более сложная картина этих взаимодействий возникает в результате последних исследований, проведенных в Институте ядерной физики Польской академии наук с использованием новой микроскопической техники.
Меньшее убивает быстрее — так раньше думали о золотых наночастицах, используемых для борьбы с раковыми клетками. Ученые считали, что маленьким наночастицам будет просто легче проникать внутрь раковой клетки, где их присутствие приведет к метаболическим нарушениям и в конечном итоге к гибели клетки.
Реальность, однако, оказывается более сложной, как показали исследования, проведенные учеными Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове, подкрепленные теоретическим анализом, проведенным в Жешувском университете (UR) и Жешувском технологическом университете.
«В нашем институте действует современный медицинский и ускорительный центр протонной лучевой терапии. Поэтому, когда несколько лет назад появились сообщения о том, что наночастицы золота могут быть хорошими радиосенсибилизаторами и повышать эффективность такого рода терапии, мы начали их синтезировать. сами и проверить их взаимодействие с раковыми клетками. Мы быстро обнаружили, что токсичность наночастиц не всегда была такой, как ожидалось», — говорит доктор Джоанна Депчух-Чарни (IFJ PAN), инициатор исследования и первый автор статьи, в которой обсуждаются результаты, опубликованное в журнале Small.
Наночастицы можно производить различными способами, получая частицы разных размеров и форм. Вскоре после начала собственных экспериментов с золотыми наночастицами физики IFJ PAN заметили, что биология не следует популярному правилу, согласно которому их токсичность тем выше, чем они меньше.
Сферические наночастицы размером 10 нанометров, произведенные в Кракове, оказались практически безвредными для изучаемой линии клеток глиомы. Однако высокая смертность наблюдалась в клетках, подвергшихся воздействию наночастиц размером до 200 нанометров, но со звездообразной структурой.
Выяснение указанного противоречия стало возможным благодаря использованию первого в Польше голотомографического микроскопа в IFJ PAN.
Типичный КТ-сканер сканирует тело человека с помощью рентгеновских лучей и реконструирует его пространственную внутреннюю структуру секция за секцией. В биологии подобную функцию недавно выполнил голотомографический микроскоп. Здесь клетки также облучаются пучком излучения, но не высокоэнергетического, а электромагнитного. Его энергия подбирается таким образом, чтобы фотоны не нарушали метаболизм клеток.
Результатом сканирования является набор голографических сечений, содержащих информацию о распределении изменений показателя преломления. Поскольку свет по-разному преломляется на цитоплазме и по-разному на клеточной мембране или ядре, можно реконструировать трехмерное изображение как самой клетки, так и ее внутренней части.
«В отличие от других методов микроскопии высокого разрешения, голотомография не требует подготовки образцов или введения в клетки каких-либо посторонних веществ. Таким образом, взаимодействие золотых наночастиц с раковыми клетками можно было наблюдать непосредственно в инкубаторе, где последние культивировались, в ненарушенной среде — более того, с нанометрическим разрешением — со всех сторон одновременно и практически в реальном времени», — перечисляет доктор Депчух-Чарни.
Уникальные возможности голотомографии позволили физикам определить причины неожиданного поведения раковых клеток в присутствии наночастиц золота. Серия экспериментов была проведена на трех клеточных линиях: двух глиомных и одной толстой кишки. Среди прочего было замечено, что, хотя маленькие сферические наночастицы легко проникали в раковые клетки, клетки регенерировали и даже снова начинали делиться, несмотря на первоначальный стресс.
В случае клеток рака толстой кишки золотые наночастицы быстро выталкивались из них. Иная ситуация была с крупными звездообразными наночастицами. Их острые кончики прокалывали клеточные мембраны, что, скорее всего, приводило к увеличению окислительного стресса внутри клеток. Когда эти клетки больше не могли справляться с восстановлением увеличивающихся повреждений, запускался механизм апоптоза, или запрограммированной смерти.
«Мы использовали данные краковских экспериментов для построения теоретической модели процесса осаждения наночастиц внутри исследуемых клеток. Конечным результатом является дифференциальное уравнение, в которое можно подставить соответствующим образом обработанные параметры — пока что только описывающие форму и размер наночастиц — чтобы быстро определить, как будет происходить поглощение анализируемых частиц раковыми клетками в течение заданного периода времени», — говорит доктор Павел Якубчик, профессор UR и соавтор модели.
Он подчеркивает: «Любой ученый может использовать нашу модель уже на этапе проектирования собственного исследования, чтобы мгновенно сузить число вариантов наночастиц, требующих экспериментальной проверки».
Возможность легко сократить количество потенциальных экспериментов, которые необходимо провести, означает снижение затрат, связанных с приобретением клеточных линий и реагентов, а также заметное сокращение времени исследования (обычно только на культивирование требуется около двух недель). Кроме того, модель можно использовать для разработки более таргетной терапии, чем раньше, — такой, в которой наночастицы будут особенно хорошо поглощаться избранными раковыми клетками, сохраняя при этом относительно низкую или даже нулевую токсичность для здоровых клеток в других органах пациента.
Группа ученых Краков-Жешув уже готовится продолжить свои исследования. Новые эксперименты вскоре должны позволить расширить модель взаимодействия наночастиц с раковыми клетками, включив в нее дополнительные параметры, такие как химический состав частиц или другие типы опухолей. В более поздние планы также входит дополнение модели математическими элементами для оптимизации эффективности фото- или протонной терапии для указанных комбинаций наночастиц и опухолей.
