Квантовая физика помогает уничтожать раковые клетки
Раковая клетка погибает в течение трех дней при облучении рентгеновскими лучами опухолевой ткани, содержащей наночастицы с йодом. Йод высвобождает электроны, которые повреждают ДНК опухоли, приводя к гибели клеток. Результаты исследования ученых из Института комплексных наук о клетках и материалах (iCeMS) Университета Киото и их коллег из Японии и США опубликованы в журнале Scientific Reports.
«Облучение металла светом приводит к высвобождению электронов — явление, называемое фотоэлектрическим эффектом. Объяснение этого явления Альбертом Эйнштейном в 1905 году ознаменовало рождение квантовой физики», — говорит молекулярный биолог iCeMS Фуюхико Таманой, руководивший исследованием. «Наша работа предоставляет доказательства, позволяющие предположить, что возможно воспроизвести этот эффект внутри раковых клеток».
Долгосрочной проблемой лучевой терапии рака является ее неэффективность в центре опухолей, где уровень кислорода низок из-за отсутствия глубоко проникающих кровеносных сосудов. Для генерации повреждающих ДНК активных форм кислорода при попадании лучей в молекулы внутри клетки рентгеновскому облучению необходим кислород.
Таманой вместе с Котаро Мацумото и коллегами пытались решить эту проблему, находя более прямые способы повреждения ДНК рака. В предыдущей работе они показали, что наночастицы, нагруженные гадолинием, могут убивать раковые клетки при облучении синхротронными рентгеновскими лучами с энергией 50.25 килоэлектронвольт.
В текущем исследовании они разработали пористые органосиликатные наночастицы, несущие йод. Йод дешевле гадолиния и высвобождает электроны при более низких уровнях энергии.
Исследователи диспергировали свои наночастицы в опухолевых сфероидах — трехмерных тканях, содержащих множество раковых клеток. Облучение сфероидов в течение 30 минут рентгеновскими лучами с энергией 33.2 кэВ привело к их полному разрушению в течение трех дней. Систематически изменяя уровни энергии, они смогли продемонстрировать, что оптимальный эффект разрушения опухоли происходит при энергии рентгеновских лучей 33.2 кэВ.
Дальнейший анализ показал, что наночастицы поглощались опухолевыми клетками, локализуясь непосредственно рядом с их ядрами. Воздействие на ткань рентгеновского излучения с точно подобранной энергией заставляло йод высвобождать электроны, которые затем вызывали двунитевые разрывы в ядерной ДНК, запуская гибель клеток.
«Наше исследование представляет собой важный пример применения явления квантовой физики внутри раковой клетки», — говорит Мацумото. «Похоже, что рядом с ДНК генерируется облако низкоэнергетических электронов, вызывающее двунитевые разрывы, которые трудно восстановить, что в конечном итоге приводит к запрограммированной гибели клеток».
Следующая задача команды — понять, как именно электроны высвобождаются из атомов йода при воздействии рентгеновских лучей. Они также работают над размещением йода непосредственно на ДНК, а не рядом с ней, чтобы повысить эффективность, и планируют испытать наночастицы на мышиных моделях рака.