نانوذرات طلا سرطان را از بین می‌برند، اما نه به روشی که ما فکر می‌کردیم

به گزارش مجله خبری نگار، ذرات طلا با اندازه یک میلیاردم متر برای سلول‌های سرطانی کشنده هستند. این واقعیت مدت‌هاست که شناخته شده است، همانطور که یک همبستگی ساده نیز وجود دارد: هرچه نانوذرات مورد استفاده برای مبارزه با سلول‌های سرطانی کوچکتر باشند، آنها سریع‌تر می‌میرند. با این حال، تصویر جالب‌تر و پیچیده‌تری از این تعاملات از تحقیقات اخیر انجام شده در موسسه فیزیک هسته‌ای آکادمی علوم لهستان با استفاده از فناوری میکروسکوپی جدید، پدیدار شده است.

ذرات کوچک‌تر، سریع‌تر از بین می‌روند - این تفکر قدیمی در مورد نانوذرات طلا بود که برای مبارزه با سلول‌های سرطانی استفاده می‌شدند. دانشمندان تصور می‌کردند که نانوذرات کوچک به راحتی می‌توانند به سلول سرطانی نفوذ کنند، جایی که حضور آنها باعث اختلالات متابولیکی و در نهایت مرگ سلولی می‌شود.

با این حال، واقعیت پیچیده‌تر از این است، همانطور که تحقیقات انجام شده توسط دانشمندان موسسه فیزیک هسته‌ای آکادمی علوم لهستان (IFJ PAN) در کراکوف نشان داده است، که با تجزیه و تحلیل نظری انجام شده در دانشگاه ژشوف (UR) و دانشگاه فنی ژشوف پشتیبانی می‌شود.

دکتر جوآنا دپچوچ-چارنی (IFJ PAN)، آغازگر این مطالعه و نویسنده اول مقاله‌ای که در مورد نتایج آن بحث می‌کند و در مجله Small منتشر شده است، می‌گوید: «موسسه ما یک مرکز پزشکی و شتاب‌دهنده پیشرفته برای درمان با پرتو پروتون دارد. بنابراین، وقتی چند سال پیش گزارش‌هایی منتشر شد مبنی بر اینکه نانوذرات طلا می‌توانند حساس‌کننده‌های پرتویی خوبی باشند و اثربخشی این نوع درمان را بهبود بخشند، ما خودمان شروع به سنتز آنها و آزمایش تعامل آنها با سلول‌های سرطانی کردیم. ما به سرعت متوجه شدیم که سمیت نانوذرات همیشه مطابق انتظار نیست.»

نانوذرات را می‌توان به روش‌های مختلفی تولید کرد و ذراتی با اندازه‌ها و شکل‌های مختلف به دست آورد. فیزیکدانان IFJ PAN اندکی پس از شروع آزمایش‌های خود با نانوذرات طلا، متوجه شدند که زیست‌شناسی از قانون رایج مبنی بر افزایش سمیت آنها با اندازه، پیروی نمی‌کند.

نانوذرات کروی با اندازه ۱۰ نانومتر که در کراکوف تولید شده‌اند، عملاً برای رده سلولی گلیوما مورد مطالعه بی‌ضرر بودند. با این حال، مرگ و میر بالایی در سلول‌هایی که در معرض نانوذرات با اندازه تا ۲۰۰ نانومتر، اما با ساختار ستاره‌ای شکل قرار گرفته بودند، مشاهده شد.

شفاف‌سازی این تناقض به لطف استفاده از اولین میکروسکوپ هولوتوموگرافی در لهستان در IFJ PAN امکان‌پذیر شد.

یک اسکنر سی‌تی‌اسکن معمولی بدن انسان را با استفاده از اشعه ایکس اسکن می‌کند و ساختار داخلی فضایی آن را بخش به بخش بازسازی می‌کند. در زیست‌شناسی، اخیراً عملکرد مشابهی توسط میکروسکوپ هولوتوموگرافی انجام شده است. در اینجا، سلول‌ها نیز با پرتویی از تابش، اما نه با انرژی بالا، بلکه الکترومغناطیسی، تحت تابش قرار می‌گیرند. انرژی آن به گونه‌ای انتخاب می‌شود که فوتون‌ها متابولیسم سلولی را مختل نکنند.

نتیجه اسکن، مجموعه‌ای از مقاطع هولوگرافیک است که حاوی اطلاعاتی در مورد توزیع تغییرات ضریب شکست است. از آنجایی که نور در سیتوپلاسم و در غشای سلولی یا هسته به طور متفاوتی شکسته می‌شود، می‌توان تصویری سه‌بعدی از خود سلول و همچنین فضای داخلی آن بازسازی کرد.

دکتر دپچوخ-چارنی می‌گوید: «برخلاف سایر تکنیک‌های میکروسکوپی با وضوح بالا، هولوتوموگرافی نیازی به آماده‌سازی نمونه یا ورود هیچ ماده خارجی به سلول‌ها ندارد. بنابراین، برهمکنش نانوذرات طلا با سلول‌های سرطانی را می‌توان مستقیماً در انکوباتور، جایی که سلول‌های سرطانی کشت داده می‌شوند، در یک محیط دست‌نخورده - علاوه بر این، با وضوح نانومتری - از همه طرف به طور همزمان و تقریباً در زمان واقعی مشاهده کرد.»

قابلیت‌های منحصر‌به‌فرد هولوتوموگرافی به فیزیکدانان این امکان را داد تا دلایل رفتار غیرمنتظره سلول‌های سرطانی را در حضور نانوذرات طلا تعیین کنند. مجموعه‌ای از آزمایش‌ها بر روی سه رده سلولی انجام شد: دو رده گلیوما و یک رده کولون. در میان چیز‌های دیگر، مشاهده شد که اگرچه نانوذرات کروی کوچک به راحتی به سلول‌های سرطانی نفوذ می‌کنند، اما سلول‌ها علیرغم استرس اولیه، بازسازی شده و حتی دوباره شروع به تقسیم شدن کردند.

در مورد سلول‌های سرطانی روده بزرگ، نانوذرات طلا به سرعت خارج شدند. اما در مورد نانوذرات بزرگ ستاره‌ای شکل این‌طور نبود. نوک تیز آنها غشا‌های سلولی را سوراخ می‌کرد و احتمالاً منجر به افزایش استرس اکسیداتیو در سلول‌ها می‌شد. هنگامی که این سلول‌ها دیگر نمی‌توانستند با ترمیم آسیب‌های فزاینده مقابله کنند، آپوپتوز یا مرگ برنامه‌ریزی‌شده آغاز می‌شد.

دکتر پاول یاکوبچیک، استاد دانشگاه اورگن و یکی از نویسندگان این مدل می‌گوید: «ما از داده‌های آزمایش‌های کراکوف برای ساخت یک مدل نظری از فرآیند رسوب نانوذرات درون سلول‌های مورد مطالعه استفاده کردیم. نتیجه نهایی یک معادله دیفرانسیل است که پارامتر‌های پردازش‌شده مناسب - که تاکنون فقط شکل و اندازه نانوذرات را توصیف می‌کنند - می‌توانند در آن جایگزین شوند تا به سرعت مشخص شود که چگونه جذب ذرات مورد تجزیه و تحلیل توسط سلول‌های سرطانی در یک دوره زمانی معین رخ خواهد داد.»

او تأکید می‌کند: «هر دانشمندی می‌تواند از مدل ما که در مرحله طراحی مطالعه خود است، استفاده کند تا فوراً تعداد گزینه‌های نانوذراتی را که نیاز به تأیید تجربی دارند، محدود کند.»

توانایی کاهش آسان تعداد آزمایش‌های بالقوه‌ای که باید انجام شوند، به معنای کاهش هزینه‌های مرتبط با تهیه رده‌های سلولی و معرف‌ها و همچنین کاهش قابل توجه زمان مطالعه است (معمولاً حدود دو هفته فقط برای کشت لازم است). علاوه بر این، این مدل می‌تواند برای توسعه درمان‌های هدفمندتر از آنچه قبلاً ممکن بود، مورد استفاده قرار گیرد، مانند درمان‌هایی که در آنها نانوذرات به طور خاص توسط سلول‌های سرطانی منتخب به خوبی جذب می‌شوند و در عین حال سمیت نسبتاً کم یا حتی صفر برای سلول‌های سالم در سایر نقاط بدن بیمار حفظ می‌شود.

تیم کراکوف-ژشوف در حال حاضر در حال آماده‌سازی برای ادامه تحقیقات خود است. آزمایش‌های جدید به زودی امکان گسترش مدل برهمکنش نانوذرات-سلول سرطانی را فراهم می‌کنند تا پارامتر‌های اضافی مانند ترکیب شیمیایی ذرات یا انواع دیگر تومور‌ها را نیز در بر بگیرد. برنامه‌های بعدی همچنین شامل تکمیل مدل با عناصر ریاضی برای بهینه‌سازی اثربخشی فوتوتراپی یا پروتون‌تراپی برای ترکیبات مشخص‌شده نانوذرات و تومور‌ها است.