新研究打破了关于金纳米颗粒和癌症的旧观念

研究推翻了人们对金纳米颗粒的旧看法，表明更大的星形纳米颗粒对癌症最有效，从而得出了一种改进治疗设计的模型。

　　

科学家们此前认为，用于对抗癌细胞的纳米颗粒越小，它们死亡的速度就越快。这一理论背后的逻辑是，小纳米颗粒会更容易穿透癌细胞内部，它们的存在会导致代谢紊乱，最终导致细胞死亡。

现在，研究人员使用了一种新的显微镜技术来揭示这些相互作用的更有趣、更复杂的画面。

这项研究最近发表在《Nano Micro Small》杂志上，由波兰科学院核物理研究所(IFJ PAN)进行，并得到了热什夫大学(UR)和热什夫理工大学进行的理论分析的支持。

结肠癌细胞与小的球形金纳米颗粒相互作用后，其形态没有改变，仍然能够分裂。资料来源:IFJ PAN

纳米颗粒生产和测试的创新

“我们研究所拥有一个最先进的质子放疗医疗和加速器中心。因此，当几年前有报道称，金纳米颗粒可能是很好的放射增敏剂，可以增强这种治疗的有效性时，我们开始自己合成它们，并测试它们与癌细胞的相互作用。我们很快发现纳米颗粒的毒性并不总是如预期的那样，”Eng博士说。Joanna Depciuch-Czarny (IFJ PAN)，该研究的发起人和第一作者。

纳米颗粒可以用多种方法生产，产生不同大小和形状的颗粒。在开始他们自己的金纳米颗粒实验后不久，IFJ PAN的物理学家注意到，生物学并不遵循流行的规律，即它们越小毒性越大。克拉科夫生产的球形纳米颗粒大小为10纳米，对所研究的神经胶质瘤细胞系实际上是无害的。然而，在暴露于200纳米大小的星形结构纳米颗粒的细胞中观察到高死亡率。

结肠癌细胞与小的球形金纳米颗粒相互作用后，其形态没有改变，仍然能够分裂。

全息层析显微镜:癌症研究的游戏规则改变者

由于使用了IFJ PAN用波兰科学和高等教育部的资金购买的波兰第一台全息层析显微镜，上述矛盾得以阐明。

典型的CT扫描仪使用X射线扫描人体，并逐段重建其空间内部结构。在生物学中，最近全息层析显微镜也起到了类似的作用。在这里，细胞也被一束辐射扫过，但不是高能辐射，而是电磁辐射。它的能量是经过选择的，这样光子就不会干扰细胞的新陈代谢。扫描的结果是一组包含折射率变化分布信息的全息截面。由于光在细胞质上的折射不同，在细胞膜或细胞核上的折射也不同，因此有可能重建细胞本身及其内部的三维图像。

Depciuch-Czarn解释说:“与其他高分辨率显微镜技术不同，全息断层扫描不需要准备样品或向细胞中引入任何外来物质。因此，金纳米颗粒与癌细胞的相互作用可以直接在培养箱中观察到，后者是在一个不受干扰的环境中培养的，更重要的是，具有纳米分辨率，同时从各个方面，实际上是实时的。”

纳米颗粒形状对癌症治疗的影响

全息层析成像的独特特性使物理学家能够确定金纳米粒子存在时癌细胞意外行为的原因。在三个细胞系上进行了一系列实验:两个胶质瘤细胞系和一个结肠细胞系。其中，研究人员观察到，尽管微小的球形纳米颗粒很容易穿透癌细胞，但细胞再生，甚至开始再次分裂，尽管最初有压力。在结肠癌细胞的例子中，金纳米粒子很快就被挤出了细胞。对于大的星形纳米粒子，情况就不同了。它们锋利的尖端刺穿细胞膜，很可能导致细胞内氧化应激增加。当这些细胞不能再修复不断增加的损伤时，就会触发细胞凋亡或程序性死亡的机制。

理论建模与实际应用

“我们利用克拉科夫实验的数据建立了纳米颗粒在研究细胞内沉积过程的理论模型。最终的结果是一个微分方程，其中适当处理的参数可以被替换——暂时只描述纳米颗粒的形状和大小——以快速确定在给定的时间内癌细胞对分析颗粒的摄取将如何进行，”大学教授、该模型的合著者Pawel Jakubczyk博士说。“任何科学家都可以在他们自己的研究设计阶段使用我们的模型，以立即缩小需要实验验证的纳米颗粒变体的数量。”

能够轻松减少要进行的潜在实验的数量意味着与购买细胞系和试剂相关的成本的减少，以及研究时间的显著减少(通常只需培养一个市售细胞系大约需要两周)。此外，该模型可用于设计比以前更有针对性的治疗方法——纳米颗粒将被选定的癌细胞很好地吸收，同时对患者其他器官的健康细胞保持相对较低甚至零毒性。

纳米粒子癌症研究的未来方向

克拉科夫-热索夫的科学家小组已经在准备继续他们的研究。新的实验应该很快就可以扩展纳米颗粒与癌细胞相互作用的模型，包括更多的参数，如颗粒的化学成分或其他肿瘤类型。后来的计划还包括用数学元素补充模型，以优化光或质子治疗对纳米颗粒和肿瘤的指示组合的疗效。

参考文献:“Modeling Absorption Dynamics of Differently Shaped Gold Glioblastoma and Colon Cells Based on Refractive Index Distribution in Holotomographic Imaging” by Joanna Depciuch, Paweł Jakubczyk, Dorota Jakubczyk, Bartosz Klebowski, Justyna Miszczyk and Magdalena Parlinska-Wojtan, 15 May 2024, Small.