De dood van kankercellen wordt binnen drie dagen geactiveerd wanneer röntgenstralen worden gericht op tumorweefsel dat jodiumhoudende nanodeeltjes bevat. Het jodium maakt elektronen vrij die het DNA van de tumor breken, leidt tot celdood. De bevindingen, door wetenschappers van het Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) van de Universiteit van Kyoto en collega's in Japan en de VS, werden gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

"Het blootstellen van een metaal aan licht leidt tot het vrijkomen van elektronen, een fenomeen dat het foto-elektrisch effect wordt genoemd. Een verklaring van dit fenomeen door Albert Einstein in 1905 luidde de geboorte van de kwantumfysica in, " zegt iCeMS moleculair bioloog Fuyuhiko Tamanoi, die de studie leidde. "Ons onderzoek levert bewijs dat suggereert dat het mogelijk is om dit effect in kankercellen te reproduceren."

Een al lang bestaand probleem met kankerbestralingstherapie is dat het niet effectief is in het centrum van tumoren, waar het zuurstofgehalte laag is door het ontbreken van diep doordringende bloedvaten. Röntgenstraling heeft zuurstof nodig om DNA-beschadigende reactieve zuurstof te genereren wanneer de stralen moleculen in de cel raken.

Tamanoi, samen met Kotaro hebben Matsumoto en collega's geprobeerd dit probleem op te lossen door directere manieren te vinden om kanker-DNA te beschadigen. In eerder werk, ze toonden aan dat met gadolinium beladen nanodeeltjes kankercellen kunnen doden wanneer ze worden bestraald met 50,25 kiloelektronvolt synchrotron-gegenereerde röntgenstralen.

In de huidige studie, ze ontwierpen poreuze, jodium-dragende organosilica nanodeeltjes. Jodium is goedkoper dan gadolinium en geeft elektronen af ​​bij lagere energieniveaus.

De onderzoekers verspreidden hun nanodeeltjes door tumorsferoïden, 3D-weefsel dat meerdere kankercellen bevat. Bestraling van de sferoïden gedurende 30 minuten met 33,2 keV röntgenstralen leidde tot hun volledige vernietiging binnen drie dagen. Door het energieniveau systematisch te veranderen, ze konden aantonen dat het optimale effect van tumorvernietiging optreedt met 33,2 keV röntgenstraling.

Nadere analyses toonden aan dat de nanodeeltjes werden opgenomen door de tumorcellen, lokaliseren net buiten hun kernen. Door precies de juiste hoeveelheid röntgenenergie op het weefsel te laten schijnen, zorgde jodium ervoor dat elektronen vrijkwamen, die vervolgens dubbelstrengs breuken in het nucleaire DNA veroorzaakten, celdood veroorzaken.

"Onze studie is een belangrijk voorbeeld van het gebruik van een kwantumfysica-fenomeen in een kankercel, ", zegt Matsumoto. "Het lijkt erop dat een wolk van laagenergetische elektronen wordt gegenereerd dicht bij DNA, dubbelstrengsbreuken veroorzaken die moeilijk te herstellen zijn, uiteindelijk leidend tot geprogrammeerde celdood."

Het team wil vervolgens begrijpen hoe elektronen vrijkomen uit jodiumatomen wanneer ze worden blootgesteld aan röntgenstralen. Ze werken ook aan het plaatsen van jodium op DNA in plaats van er dichtbij om de werkzaamheid te vergroten, en om de nanodeeltjes te testen op muismodellen van kanker.