Квантовая физика помогает уничтожать раковые клетки

Исследователи нашли способ улучшить лучевую терапию с помощью новых наночастиц йода, - пишет eurekalert.org.

Смерть раковых клеток запускается в течение трех дней, когда рентгеновские лучи попадают на опухолевую ткань, содержащую наночастицы, несущие йод. Йод высвобождает электроны, которые разрушают ДНК опухоли, что приводит к гибели клеток. Выводы ученых из Института комплексных исследований клеточных материалов (iCeMS) при Киотском университете и коллег из Японии и США были опубликованы в журнале Scientific Reports.

«Воздействие света на металл приводит к высвобождению электронов - явлению, называемому фотоэлектрическим эффектом. Объяснение этого явления Альбертом Эйнштейном в 1905 году возвестило рождение квантовой физики, - говорит молекулярный биолог iCeMS Фуюхико Таманой, который руководил исследованием. - Наше исследование предоставляет доказательства, позволяющие предположить, что этот эффект можно воспроизвести внутри раковых клеток».

Давняя проблема лучевой терапии рака заключается в том, что она неэффективна в центре опухолей, где уровень кислорода низкий из-за отсутствия кровеносных сосудов, глубоко проникающих в ткани. Для рентгеновского облучения кислород необходим для генерации реактивного кислорода, повреждающего ДНК, когда лучи попадают в молекулы внутри клетки.

Таманои вместе с Котаро Мацумото и его коллегами пытались решить эту проблему, найдя более прямые способы повредить ДНК рака. В более ранней работе они показали, что наночастицы, содержащие гадолиний, могут убивать раковые клетки при облучении рентгеновскими лучами, генерируемыми синхротроном, с напряжением 50,25 кЭ.

В текущем исследовании они разработали пористые, содержащие йод кремнийорганические наночастицы. Йод дешевле гадолиния и высвобождает электроны с более низким уровнем энергии.

Исследователи рассредоточили свои наночастицы через опухолевые сфероиды - трехмерную ткань, содержащую множество раковых клеток. Облучение сфероидов в течение 30 минут рентгеновскими лучами 33,2 кэВ привело к их полному разрушению в течение трех дней. Систематически изменяя уровни энергии, они смогли продемонстрировать, что оптимальный эффект разрушения опухоли достигается с помощью рентгеновского излучения 33,2 кэВ.

Дальнейшие анализы показали, что наночастицы были захвачены опухолевыми клетками, локализовавшись вне их ядер. Освещение ткани нужным количеством рентгеновской энергии побуждает йод высвобождать электроны, которые затем вызывают двухцепочечные разрывы в ядерной ДНК, вызывая гибель клетки.

«Наше исследование представляет собой важный пример использования феномена квантовой физики внутри раковой клетки, - говорит Мацумото. - Похоже, что облако низкоэнергетических электронов генерируется рядом с ДНК, вызывая двухцепочечные разрывы, которые трудно восстановить, что в конечном итоге приводит к запрограммированной гибели клеток».

Затем команда хочет понять, как электроны высвобождаются из атомов йода, когда они подвергаются воздействию рентгеновских лучей. Они также работают над размещением йода на ДНК, а не рядом с ней, чтобы повысить эффективность и протестировать наночастицы на мышиных моделях рака.

Ключевыми участниками этой работы являются Юя Хигаси (iCeMS), Хироюки Сайто (QST) и Тошики Таджима (Калифорнийский университет в Ирвине, кафедра физики и астрономии), а также Таманой и Мацумото.

[Фото: eurekalert.org]