(PhysOrg.com) -- Natuurkundige Dmitri Lapotko van Rice University heeft aangetoond dat plasmonische nanobellen, gegenereerd rond gouden nanodeeltjes met een laserpuls, kan kankercellen detecteren en vernietigen in vivo door kleine, glanzende dampbellen die de cellen onthullen en selectief exploderen.

Een paper in de oktober-editie van het tijdschrift Biomaterialen beschrijft het effect van plasmonische nanobellen-theranostica op zebravissen geïmplanteerd met levende menselijke prostaatkankercellen, het aantonen van de geleide ablatie van kankercellen in een levend organisme zonder de gastheer te beschadigen.

Lapotko en zijn collega's ontwikkelden het concept van celtherapie om drie belangrijke behandelingsfasen te verenigen:diagnose, therapie en bevestiging van de therapeutische actie -- in één samenhangende procedure. De unieke afstembaarheid van plasmonische nanobellen maakt de procedure mogelijk. Hun diermodel, de zebravis, is bijna transparant, wat het ideaal maakt voor dergelijk in vivo onderzoek.

De National Institutes of Health hebben het potentieel van Lapotko's geïnspireerde techniek erkend door verder onderzoek te financieren dat een enorm potentieel biedt voor de theranostica van kanker en andere ziekten op cellulair niveau. Lapotko's plasmonisch nanobellenlab, een gezamenlijk Amerikaans-Wit-Russisch laboratorium voor fundamentele en biomedische nanofotonica, heeft de komende vier jaar een subsidie ​​van meer dan $ 1 miljoen ontvangen om de techniek verder te ontwikkelen.

In eerder onderzoek in Lapotko's thuislab in de National Academy of Sciences van Wit-Rusland, plasmonische nanobellen toonden hun theranostische potentieel aan. In een ander onderzoek naar cardiovasculaire toepassingen, nanobellen werden gefilmd terwijl ze zich een weg baanden door arteriële plaque. Hoe sterker de laserpuls, hoe schadelijker de explosie wanneer de bellen barsten, waardoor de techniek zeer afstembaar is. De bellen variëren in grootte van 50 nanometer tot meer dan 10 micrometer.

In de zebravisstudie, Lapotko en zijn medewerkers bij Rice leidden met antilichaam gemerkte gouden nanodeeltjes in de geïmplanteerde kankercellen. Een korte laserpuls oververhitte het oppervlak van de nanodeeltjes en verdampte een zeer dun volume van het omringende medium om kleine dampbellen te creëren die binnen nanoseconden uitzetten en instortten; hierdoor bleven de cellen onbeschadigd maar genereerde een sterk optisch verstrooiingssignaal dat helder genoeg was om een ​​enkele kankercel te detecteren.

Een seconde, sterkere puls genereerde grotere nanobellen die explodeerden (of, zoals de onderzoekers het noemden, "mechanisch geablateerd") de doelcel zonder het omliggende weefsel in de zebravis te beschadigen. Verstrooiing van het laserlicht door de tweede "killer"-bel bevestigde de cellulaire vernietiging.

Dat het proces mechanisch van aard is, staat centraal, zei Lapotko. De nanobellen vermijden de valkuilen van chemo- of bestralingstherapie die zowel gezond weefsel als tumoren kunnen beschadigen.

"Het is geen deeltje dat de kankercel doodt, maar een voorbijgaande en korte gebeurtenis, " zei hij. "We zetten lichtenergie om in mechanische energie."

De nieuwe subsidie ​​stelt Lapotko en zijn medewerkers in staat om de biologische effecten van plasmonische nanobellen te bestuderen en vervolgens hun functies te combineren in een enkele sequentie die slechts een microseconde zou kosten om een ​​kankercel te detecteren en te vernietigen en de resultaten te bevestigen. "Door hun grootte dynamisch af te stemmen, we zullen hun biologische werking afstemmen van niet-invasieve detectie tot gelokaliseerde intracellulaire medicijnafgifte tot selectieve eliminatie van specifieke cellen, " hij zei.

"Een stealth zijn, on-demand sonde met afstembare functie, de plasmonische nanobubbel kan op alle gebieden van de geneeskunde worden toegepast, aangezien het nanobellenmechanisme universeel is en kan worden gebruikt voor het detecteren en manipuleren van specifieke moleculen, of voor precieze microchirurgie."

Lapotko's co-auteurs over de Biomaterialen papier zijn Daniel Wagner, universitair docent biochemie en celbiologie; Mary "Cindy" Farach-Carson, associate vice-provoost voor onderzoek en hoogleraar biochemie en celbiologie; Jason Hafner, universitair hoofddocent natuur- en sterrenkunde en scheikunde; Nikki Delk, postdoctoraal onderzoeksmedewerker; en Ekaterina Lukianova-Hleb, onderzoeker in het Plasmonic Nanobubble Lab.