מחקר חדש מנפץ אמונות ישנות על ננו-חלקיקי זהב וסרטן

מחקר מבטל דעות ישנות על ננו-חלקיקי זהב, ומראה שחלקיקי זהב גדולים יותר בצורת כוכב הם היעילים ביותר נגד סרטן, מה שמוביל למודל שמשפר את עיצוב הטיפול.

מדענים הניחו בעבר שככל שהננו-חלקיקים המשמשים להילחם בתאי הסרטן קטנים יותר, כך הם מתים מהר יותר. ההיגיון מאחורי התיאוריה הזו הוא שלננו-חלקיקים קטנים יהיה פשוט יותר קל לחדור פנימה של תא סרטני, שם נוכחותם תוביל להפרעות מטבוליות ובסופו של דבר למוות של תאים.

כעת, חוקרים השתמשו בטכניקה מיקרוסקופית חדשה כדי לחשוף תמונה מעניינת ומורכבת יותר של אינטראקציות אלה.

המחקר, שפורסם לאחרונה בכתב העת ננו מיקרו קטןנערך על ידי המכון לפיזיקה גרעינית של האקדמיה הפולנית למדעים (IFJ PAN) ונתמך על ידי ניתוח תיאורטי שבוצע באוניברסיטת ז'שוב (UR) ובאוניברסיטת ז'שוב לטכנולוגיה.

תאי סרטן המעי הגס לאחר אינטראקציה עם ננו-חלקיקי זהב כדוריים קטנים לא שינו את המורפולוגיה שלהם ועדיין מסוגלים להתחלק. קרדיט: IFJ PAN

חידושים בייצור ובדיקה של ננו-חלקיקים

"המכון שלנו מפעיל מרכז רפואי ואקסלרטור מתקדם לקרינת פרוטונים. אז כאשר הופיעו דיווחים לפני כמה שנים על כך שחלקיקי זהב יכולים להיות גורמים רגישים לרדיו ולשפר את היעילות של טיפול מסוג זה, התחלנו לסנתז אותם בעצמנו ולבדוק את האינטראקציה שלהם עם תאים סרטניים. מהר מאוד גילינו שהרעילות של ננו-חלקיקים לא תמיד הייתה כצפוי", אומר ד"ר אינג'. Joanna Depciuch-Czarny (IFJ PAN), יוזמת המחקר והמחברת הראשונה.

ניתן לייצר ננו-חלקיקים במגוון שיטות, המניבים חלקיקים בגדלים ובצורות שונות. זמן קצר לאחר שהחלו בניסויים משלהם עם ננו-חלקיקי זהב, הבחינו הפיזיקאים של IFJ PAN שהביולוגיה אינה פועלת לפי הכלל הפופולרי לפיו הרעילות שלהם גדולה יותר ככל שהם קטנים יותר. ננו-חלקיקים כדוריים בגודל 10 ננומטר, שיוצרו בקרקוב, התבררו כבלתי מזיקים כמעט לקו תאי הגליומה שנחקרו. עם זאת, נצפתה תמותה גבוהה בתאים שנחשפו לננו-חלקיקים בגודל של עד 200 ננומטר, אך בעלי מבנה בצורת כוכב.

מיקרוסקופיה הולוטומוגרפית: מחליף משחק בחקר הסרטן

בירור הסתירה המוצהרת התאפשר הודות לשימוש במיקרוסקופ ההולוטומוגרפי הראשון בפולין, שנרכש על ידי IFJ PAN במימון משרד המדע וההשכלה הגבוהה של פולין.

סורק CT טיפוסי סורק את גוף האדם באמצעות קרני רנטגן ומשחזר את המבנה הפנימי המרחבי שלו קטע אחר קטע. בביולוגיה, פונקציה דומה בוצעה לאחרונה על ידי המיקרוסקופ ההולוטומוגרפי. כאן, תאים נסחפים גם בקרן קרינה, רק לא קרינה עתירת אנרגיה, אלא קרינה אלקטרומגנטית. האנרגיה שלו נבחרת כך שהפוטונים לא יפריעו לחילוף החומרים של התא. התוצאה של הסריקה היא קבוצה של חתכים הולוגרפיים המכילים מידע על התפלגות השינויים באינדקס השבירה. מכיוון שאור נשבר בצורה שונה על הציטופלזמה ובאופן שונה על קרום התא או הגרעין, ניתן לשחזר תמונה תלת מימדית של התא עצמו וגם של הפנים שלו.

Depciuch-Czarn הסביר, "בניגוד לטכניקות אחרות של מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה, הולוטומוגרפיה אינה דורשת הכנת דגימות או הכנסת חומרים זרים כלשהם לתאים. לכן ניתן היה לצפות באינטראקציות של ננו-חלקיקי זהב עם תאים סרטניים ישירות באינקובטור, שם תורבו האחרונים, בסביבה בלתי מופרעת, מה גם ברזולוציה ננומטרית, מכל הצדדים בו-זמנית ובפועל בזמן אמת".

השפעת צורת ננו-חלקיקים על הטיפול בסרטן

התכונות הייחודיות של הולוטומוגרפיה אפשרו לפיסיקאים לקבוע את הסיבות להתנהגות בלתי צפויה של תאים סרטניים בנוכחות ננו-חלקיקי זהב. סדרת ניסויים נערכה בשלושה קווי תאים: שתי גליומות ומעי הגס אחד. בין היתר, נצפה שלמרות שהחלקיקים הקטנים והכדוריים חדרו בקלות לתאי הסרטן, התאים התחדשו ואף החלו להתחלק שוב, למרות הלחץ הראשוני. במקרה של תאי סרטן המעי הגס, ננו-חלקיקי הזהב נדחקו מהם במהירות. המצב היה שונה עבור הננו-חלקיקים הגדולים בצורת כוכב. הקצוות החדים שלהם חוררו את ממברנות התא, וככל הנראה הובילו להגברת הלחץ החמצוני בתוך התאים. כאשר תאים אלה לא יכלו עוד להתמודד עם תיקון הנזק הגובר, הופעל מנגנון האפופטוזיס, או מוות מתוכנת.

מודלים תיאורטיים ויישומים מעשיים

"השתמשנו בנתונים מניסויי קרקוב כדי לבנות מודל תיאורטי של תהליך שקיעת ננו-חלקיקים בתוך התאים הנבדקים. התוצאה הסופית היא משוואה דיפרנציאלית שלתוכה ניתן להחליף פרמטרים מעובדים כראוי – לעת עתה רק מתארים את הצורה והגודל של ננו-חלקיקים – כדי לקבוע במהירות כיצד תתנהל קליטת החלקיקים המנותחים על ידי תאים סרטניים לאורך פרק זמן נתון ," אומר ד"ר פאבל יעקובצ'יק, פרופסור ב-UR ומחבר שותף של המודל. "כל מדען כבר יכול להשתמש במודל שלנו בשלב התכנון של המחקר שלו כדי לצמצם באופן מיידי את מספר גרסאות הננו-חלקיקים הדורשות אימות ניסיוני."

היכולת לצמצם בקלות את מספר הניסויים הפוטנציאליים שיש לבצע פירושה הפחתה בעלויות הכרוכות ברכישת קווי תאים וריאגנטים, כמו גם הפחתה ניכרת בזמן המחקר (בדרך כלל לוקח בערך שבועיים רק להתרבות קו תאים זמין מסחרית). בנוסף, ניתן להשתמש במודל לתכנון טיפולים ממוקדים יותר מבעבר – כאלה שבהם הננו-חלקיקים ייספגו היטב בתאים סרטניים נבחרים תוך שמירה על רעילות נמוכה יחסית או אפילו אפסית לתאים בריאים באיברים האחרים של החולה.

כיוונים עתידיים בחקר סרטן ננו-חלקיקים

קבוצת המדענים של קרקוב-רז'שוב כבר מתכוננת להמשך המחקר. ניסויים חדשים אמורים לאפשר בקרוב להרחיב את המודל של האינטראקציה של ננו-חלקיקים עם תאים סרטניים כך שיכלול פרמטרים נוספים, כמו ההרכב הכימי של החלקיקים או סוגי גידול נוספים. תוכניות מאוחרות יותר כוללות גם השלמת המודל עם אלמנטים מתמטיים כדי לייעל את היעילות של טיפול בצילום או פרוטונים עבור שילובים מסומנים של ננו-חלקיקים וגידולים.