(PhysOrg.com) -- Met behulp van gemakkelijk te bereiden gouden nanokooien die kunnen ontsnappen uit de bloedstroom en zich ophopen in tumoren, een team van onderzoekers van de Washington University in St. Louis heeft aangetoond dat ze laserlicht kunnen gebruiken om menselijke tumoren bij muizen te doden. De resultaten van deze studie, die werd geleid door Younan Xia en Michael Welch, zijn gepubliceerd in het tijdschrift Klein .

Hoewel het gebruik van gouden nanokooien voor de behandeling van menselijke kanker nog enkele jaren verwijderd is van klinische proeven, de onderzoekers worden aangemoedigd door hun recente bevindingen. "We zagen significante veranderingen in tumormetabolisme en histologie, " zegt dr. Welch, "wat opmerkelijk is gezien het feit dat het werk verkennend was, de laser 'dosis' was niet gemaximaliseerd, en de tumoren waren 'passief' in plaats van 'actief' gericht."

De nanokooien zelf zijn onschadelijk bij afwezigheid van lichtenergie. "Goudzouten en goudcolloïden worden al meer dan 100 jaar gebruikt om artritis te behandelen, " zegt Dr. Welch. "Mensen weten wat goud in het lichaam doet en het is inert, dus we hopen dat dit een niet-toxische aanpak wordt."

Gouden nanokooien zijn holle dozen gemaakt door goud neer te slaan op zilveren nanokubussen. Het zilver erodeert tegelijkertijd vanuit de kubus, oplossing binnendringen via poriën die openen in de geknipte hoeken van de kubus. Suspensies van de gouden nanokooien, die ongeveer even groot zijn als een virusdeeltje, zijn niet altijd geel, zoals men zou verwachten, maar in plaats daarvan kan elke kleur in de regenboog zijn. De kleur van een suspensie van nanokooien hangt af van de dikte van de wanden van de kooien en de grootte van de poriën in die wanden. Zoals hun kleur, hun vermogen om licht te absorberen en om te zetten in warmte kan nauwkeurig worden gecontroleerd. "De sleutel tot fotothermische therapie, " zegt dr. Xia, "is het vermogen van de kooien om licht efficiënt te absorberen en om te zetten in warmte."

De gouden nanokooien zijn gekleurd dankzij een proces dat bekend staat als oppervlakteplasmonresonantie. Sommige elektronen in het goud zijn niet verankerd aan individuele atomen, maar vormen in plaats daarvan een vrij zwevend elektronengas, Dr. Xia legt het uit. Licht dat op deze elektronen valt, kan ze ertoe brengen als één geheel te oscilleren. Deze collectieve trilling, het oppervlakteplasmon, kiest een bepaalde golflengte, of kleur, uit het invallende licht, en dit bepaalt de kleur die een bepaalde gouden nanokooi in oplossing aanneemt. De resonantie - en de kleur - kan worden afgestemd op een breed scala aan golflengten door de dikte van de wanden van de kooien te veranderen. Voor biomedische toepassingen, Dr. Xia en zijn collega's stemden de kooien af ​​om licht op 800 nanometer te absorberen, een golflengte die valt in een venster van weefseltransparantie tussen 750 en 900 nanometer, in het nabij-infrarode deel van het spectrum. Licht op deze goede plek kan tot enkele centimeters diep in het lichaam doordringen (vanaf de huid of het inwendige van het maagdarmkanaal of andere orgaansystemen).

De omzetting van licht in warmte komt voort uit hetzelfde fysieke effect als de kleur. De oppervlakteplasmonresonantie bestaat uit twee delen. Bij de resonantiefrequentie, licht wordt meestal zowel door de kooien verstrooid als erdoor geabsorbeerd. Door de grootte van de kooien te controleren, Dr. Xia en zijn medewerkers passen ze aan om maximale absorptie te bereiken. Ze verfijnen ook het vermogen van de nanokooien om in de bloedstroom te blijven door ze te coaten met een biocompatibel polymeer dat bekend staat als polyethyleenglycol (PEG).

In het laboratorium van Dr. Welch, muizen met tumoren op beide flanken werden willekeurig verdeeld in twee groepen. De muizen in de ene groep werden geïnjecteerd met de PEG-gecoate nanokooien en die in de andere met bufferoplossing. Enkele dagen later werd de rechter tumor van elk dier gedurende 10 minuten blootgesteld aan een diodelaser. Het team gebruikte vervolgens verschillende niet-invasieve beeldvormingstechnieken om de effecten van de therapie te volgen. Tijdens bestraling, warmtebeelden van de muizen zijn gemaakt met een infraroodcamera. Zoals geldt voor andere dieren die automatisch hun lichaamstemperatuur regelen, muiscellen functioneren alleen optimaal als de lichaamstemperatuur van de muis tussen 36,5 en 37,5 graden Celsius blijft. Bij temperaturen boven 42 graden Celsius (107 graden Fahrenheit) beginnen de cellen af ​​te sterven terwijl de eiwitten waarvan de goede werking ze in stand houdt zich beginnen te ontvouwen.

Infraroodbeelden gemaakt terwijl tumoren werden bestraald met een laser laten zien dat in nanocage-geïnjecteerde muizen, het oppervlak van de tumor werd snel heet genoeg om cellen te doden. In buffer-geïnjecteerde muizen, de temperatuur ging nauwelijks omhoog. Inderdaad, in de nanocage-geïnjecteerde muizen, de temperatuur van het huidoppervlak nam snel toe van 32 graden Celsius naar 54 graden C, terwijl in de buffer-geïnjecteerde muizen, de oppervlaktetemperatuur bleef onder de normale lichaamstemperatuur van 37 graden Celsius.

Om te zien welk effect deze verwarming had op de tumoren, de muizen werden geïnjecteerd met een contrastmiddel voor positronemissietomografie (PET) dat wordt gebruikt om het cellulaire metabolisme te meten. De tumoren van nanocage-geïnjecteerde muizen waren significant zwakker op de PET-scans dan die van buffer-geïnjecteerde muizen, wat aangeeft dat veel tumorcellen niet meer functioneerden. Positronemissiescans gemaakt na fotothermische behandeling toonden aan dat de tumoren in buffergeïnjecteerde muizen nog steeds metabolisch actief waren, terwijl die in nanocage-geïnjecteerde muizen dat niet waren. Deze specificiteit maakt fotothermische therapie zo aantrekkelijk als kankertherapie. De tumoren in de met nanokooi behandelde muizen bleken later duidelijke histologische tekenen van cellulaire schade te hebben.

Ondanks deze resultaten, Dr. Xia is ontevreden over passieve targeting. Hoewel de tumoren genoeg gouden nanokooien in beslag namen om ze een zwarte zweem te geven, slechts 6 procent van de geïnjecteerde deeltjes verzamelde zich op de tumorplaats. Hij zou dat aantal dichter bij de 40 procent willen hebben, zodat er minder deeltjes hoeven te worden geïnjecteerd. Hij is van plan om op maat gemaakte liganden te hechten aan de nanokooien die receptoren op het oppervlak van de tumorcellen herkennen en zich daaraan vastklampen. Naast het ontwerpen van nanokooien die zich actief richten op de tumorcellen, het team overweegt de holle deeltjes te vullen met een kankerbestrijdend medicijn, zodat de tumor op twee fronten zou worden aangevallen.

Dit werk, die werd ondersteund door het National Cancer Institute, wordt gedetailleerd beschreven in het artikel "Gold Nanocages as Photothermal Transducers for Cancer Treatment." Een samenvatting van dit artikel is beschikbaar op de website van het tijdschrift.