Nanodeeltjes hebben veel potentie in de geneeskunde:voor diagnostiek, als vehikel voor werkzame stoffen of als middel om tumoren met hitte te doden. Onderzoekers van ETH Zürich hebben nu deeltjes ontwikkeld die relatief eenvoudig te produceren zijn en een breed scala aan toepassingen hebben.

Als je in het donker je hand over een ingeschakelde zaklamp houdt, het lijkt rood te gloeien. Dit komt doordat rode lichtstralen met een lange golflengte effectiever door het menselijk weefsel dringen dan blauw licht met een korte golflengte. ETH Zürich-onderzoekers exploiteren dit feit in een nieuw soort nanodeeltjes:zogenaamde plasmonische deeltjes, die opwarmen wanneer ze nabij-infraroodlicht absorberen. Dit zou hen in staat kunnen stellen om tumorweefsel met hitte te doden, bijvoorbeeld.

Goud is een populair materiaal voor therapeutisch gebruikte nanodeeltjes, omdat het goed wordt verdragen en gewoonlijk geen ongewenste reacties veroorzaakt. In de karakteristieke bol- of bolvorm van nanodeeltjes, echter, goud heeft niet de noodzakelijke eigenschappen om te werken als een plasmonisch deeltje dat voldoende absorbeert in het nabij-infrarode spectrum van licht om op te warmen. Om dit te doen, het moet in een speciale vorm worden gegoten, zoals een staaf of schelp, zodat de goudatomen een configuratie aannemen die bijna-infrarood licht begint te absorberen, waardoor warmte ontstaat. Het produceren van dergelijke nanostaafjes of nanoschillen in voldoende hoeveelheden, echter, is complex en duur.

Aggregaten in plaats van staven

Een team van onderzoekers onder leiding van Sotiris Pratsinis, Hoogleraar deeltjestechnologie aan de ETH Zürich, heeft nu een truc ontdekt om plasmonische gouddeeltjes in grote hoeveelheden te vervaardigen. Ze gebruikten hun bestaande knowhow over plasmonische nanodeeltjes en maakten bolvormige gouden nanodeeltjes die de gewenste nabij-infrarode plasmonische eigenschappen vertonen door ze te laten aggregeren. Elk deeltje is vooraf bedekt met een laag siliciumdioxide, die fungeert als een tijdelijke aanduiding tussen de afzonderlijke sferen in het aggregaat. Door de nauwkeurig gedefinieerde afstand tussen verschillende gouddeeltjes, de onderzoekers transformeren de deeltjes in een configuratie die nabij-infrarood licht absorbeert en zo warmte genereert.

"De schaal van siliciumdioxide heeft nog een ander voordeel", legt Georgios Sotiriou uit, eerste auteur van de studie en, tot voor kort, een postdoc in de onderzoeksgroep van Pratsinis en momenteel een Swiss National Science Foundation Fellow aan de Harvard University:"Het voorkomt dat de deeltjes vervormen wanneer ze opwarmen." Dit is een groot probleem met nanostaafjes. Als de staven hun vorm verliezen tijdens het opwarmen, ze verliezen hun gewenste plasmonische eigenschappen en zijn niet langer in staat om voldoende nabij-infrarood licht te absorberen om warmte te genereren.

De onderzoekers hebben de nieuwe deeltjes al getest op borstkankercellen in een petrischaal en ontdekten dat de nanodeeltjes na blootstelling aan nabij-infrarood licht voldoende werden opgewarmd om de cellen te doden, terwijl cellen overleefden in controle-experimenten (met deeltjes maar zonder straling en met straling maar zonder nanodeeltjes).

Combinatie met groot potentieel

Om de deeltjes gericht naar kankerweefsel te kunnen sturen, de onderzoekers mengden ook superparamagnetische ijzeroxidedeeltjes met de gouddeeltjes, waardoor de nanoaggregaten via magnetische velden kunnen worden gecontroleerd en hun accumulatie in een tumor kan versterken. Bovendien, dit opent de mogelijkheid om de aggregaten te verwarmen in diepe weefsellagen die infrarood licht niet meer kan bereiken via magnetische hyperthermie. Hier, de verwarming van de deeltjes wordt veroorzaakt door een magnetisch veld, waar de plus- en minpool elkaar snel afwisselen.

"Er moeten nog veel vragen worden beantwoord voordat de deeltjes bij mensen kunnen worden gebruikt", zegt Jean-Christophe Leroux, Professor in de formulering en levering van geneesmiddelen aan de ETH Zürich, die ook betrokken was bij het onderzoeksproject. Hoewel goud, siliciumdioxide en ijzeroxide worden goed verdragen, wat er in de loop van de tijd met de deeltjesaggregaten in het lichaam gebeurt - of ze zich nu ophopen in de lever of worden afgebroken en uitgescheiden, bijvoorbeeld – moet nog worden onderzocht.

De hybride ijzeroxide-goud nanodeeltjes zijn niet alleen in staat om tumorcellen door hitte te doden; ze kunnen ook worden gebruikt als contrastmiddel voor beeldvormingsprocessen in de diagnostiek door magnetische resonantiebeeldvorming, zoals onderzocht in samenwerking met het Universitair Ziekenhuis Zürich, of als onderdeel van een vehikel dat werkzame stoffen vervoert. "Je zou de deeltjes zelfs kunnen koppelen aan temperatuurgevoelige medicijndragers, waardoor het medicijn vrij zou kunnen komen als een bepaalde temperatuur werd overschreden", legt Sotiriou uit. Hierdoor zouden ongewenste neveneffecten op de rest van het lichaam kunnen worden verminderd of zelfs vermeden.