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Nanopartículas de oro esféricas y estrelladas (arriba) y células de cáncer de colon de aprox. Tienen cinco horas de exposición (abajo, respectivamente). La fotografía de la esquina inferior izquierda demuestra que, a pesar del pequeño tamaño de las nanopartículas esféricas, las células cancerosas sobrevivieron. Colores falsos. Crédito: FIP PAN
La investigación revierte viejas opiniones sobre las nanopartículas de oro y muestra que las más grandes, con forma de estrella, son más efectivas contra el cáncer, lo que conduce a un paradigma para mejorar el diseño del tratamiento.
Los científicos habían planteado previamente la hipótesis de que cuanto más pequeñas fueran las nanopartículas utilizadas para combatir las células cancerosas, más rápido morirían. La lógica detrás de esta teoría es que las pequeñas nanopartículas simplemente encuentran su camino hacia el interior de una célula cancerosa, donde su presencia provoca alteraciones metabólicas y, en última instancia, la muerte celular.
Ahora, los investigadores han utilizado una novedosa técnica microscópica para revelar una imagen más interesante y compleja de estas interacciones.
El estudio fue publicado recientemente en la revista Nano Micro Pequeñorealizado por el Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (IFJ PAN) y respaldado por análisis teóricos realizados en la Universidad de Rzeszow (UR) y la Universidad Tecnológica de Rzeszow.
Las células de cáncer de colon no cambiaron su morfología después de la interacción con pequeñas nanopartículas esféricas de oro y aún pudieron dividirse. Crédito: FIP PAN
Innovaciones en producción y pruebas de nanopartículas
“Nuestro instituto opera un centro clínico y acelerador de última generación para radioterapia de protones. Entonces, cuando hace unos años surgieron informes de que las nanopartículas de oro podrían ser buenos radiosensibilizadores y aumentar la efectividad de este tipo de terapia, comenzamos a sintetizarlas nosotros mismos y a probar sus interacciones con las células cancerosas. «Rápidamente descubrimos que la toxicidad de las nanopartículas no siempre es la esperada», dijo el Dr. dice MG. Joanna Depsiuch-Czarny (FIP PAN), iniciadora y primera autora de la investigación.
Las nanopartículas se pueden producir utilizando una variedad de métodos, produciendo partículas de diferentes tamaños y formas. Poco después de comenzar sus propios experimentos con nanopartículas de oro, los físicos de la FIP PAN notaron que la biología no sigue la regla popular de que su toxicidad es pequeña. Las nanopartículas esféricas de 10 nanómetros de tamaño producidas en Cracovia resultaron prácticamente inofensivas para la línea celular de glioma estudiada. Sin embargo, se observó una mayor mortalidad en las células expuestas a nanopartículas de más de 200 nanómetros, pero con estructura en forma de estrella.
Las células de cáncer de colon no cambiaron su morfología después de la interacción con pequeñas nanopartículas esféricas de oro y aún pudieron dividirse. Crédito: FIP PAN
Microscopía holotomográfica: un punto de inflexión en la investigación del cáncer
La aclaración de dicha paradoja fue posible gracias al uso del primer microscopio holotomográfico en Polonia, que fue adquirido por la FIP PAN con fondos del Ministerio polaco de Ciencia y Educación Superior.
Un escáner CT típico escanea el cuerpo humano mediante rayos X y reconstruye su estructura espacial interna sección por sección. En biología, recientemente se ha realizado una tarea similar mediante microscopía holotomográfica. Aquí, las células también son barridas por un haz de radiación, no sólo radiación de alta energía, sino también radiación electromagnética. La energía de los fotones se elige de modo que no perturben el metabolismo de la célula. El resultado del escaneo es un conjunto de secciones transversales holográficas que contienen información sobre la distribución de los cambios del índice de refracción. Debido a que la luz se refracta de manera diferente en el citoplasma y de manera diferente en la membrana celular o el núcleo, es posible reconstruir una imagen tridimensional tanto de la célula como de su interior.
Depciuch-Czarn explicó: «A diferencia de otras técnicas de microscopía de alta resolución, la holotomografía no requiere la preparación de muestras ni la introducción de sustancias extrañas en las células. Por lo tanto, la interacción de las nanopartículas de oro con las células cancerosas se puede observar directamente en la incubadora , donde estos últimos fueron cultivados, en un entorno tranquilo y, además, con resolución nanométrica, desde todos los lados simultáneamente y prácticamente en tiempo real.
Efecto de la forma de nanopartículas en la terapia del cáncer.
Las características únicas de la holotomografía permitieron a los físicos determinar las causas del comportamiento inesperado de las células cancerosas en presencia de nanopartículas de oro. Se realizó una serie de experimentos en tres líneas celulares: dos de glioma y una de colon. En otros, aunque las pequeñas nanopartículas esféricas penetraron fácilmente en las células cancerosas, las células se regeneraron y comenzaron a dividirse nuevamente a pesar del estrés inicial. En el caso de las células de cáncer de colon, las nanopartículas de oro se excretaron rápidamente. La situación fue diferente para las nanopartículas grandes con forma de estrella. Sus puntas afiladas perforan las membranas celulares, lo que a menudo aumenta el estrés oxidativo dentro de las células. Cuando estas células ya no pudieron hacer frente a la reparación del daño creciente, se desencadenó la apoptosis o el mecanismo de muerte programada.
Modelización teórica y aplicaciones prácticas.
«Utilizamos los datos de los experimentos de Cracovia para construir un modelo teórico del proceso de acumulación de nanopartículas dentro de las células en estudio. El resultado final es una ecuación diferencial que puede ser reemplazada por parámetros adecuadamente procesados, que actualmente describen la forma y el tamaño de la nanopartículas – para determinar rápidamente cómo se produce la absorción de las partículas analizadas por las células cancerosas durante un determinado período de tiempo», dijo el Dr. dice Pawel Jakubczyk, profesor de la UR y coautor del modelo. «Cualquier científico puede utilizar nuestro modelo en la fase de diseño de su propia investigación para reducir instantáneamente el número de variantes de nanopartículas que ya requieren verificación experimental».
La capacidad de reducir fácilmente el número de experimentos potenciales a llevar a cabo significa una reducción de los costos asociados con la compra de líneas celulares y reactivos, así como una reducción significativa del tiempo de investigación (que normalmente toma alrededor de dos semanas para una célula disponible comercialmente). línea). Además, el modelo se puede utilizar para diseñar terapias mejor dirigidas que antes, en las que las nanopartículas sean bien absorbidas por células cancerosas específicamente seleccionadas y mantengan una toxicidad relativamente pequeña o nula para las células sanas de otros órganos del paciente.
Direcciones futuras en la investigación del cáncer con nanopartículas
Un grupo de científicos de Cracovia-Rzeszow ya se está preparando para continuar su investigación. Nuevos experimentos pronto permitirán ampliar el modelo de interacción de nanopartículas con células cancerosas para incluir más parámetros, como la composición química de las partículas o más tipos de tumores. Los proyectos posteriores incluyen complementar el modelo con elementos matemáticos para optimizar la eficacia de la fototerapia o la terapia de protones para combinaciones prescritas de nanopartículas y tumores.
Cita: «Modelado de glioblastoma dorado y células de colon de diferentes formas mediante imágenes holotomográficas basadas en la dinámica de absorción» Joanna Depsiuch, Pavez Jakubczyk, Dorota Jakubczyk, Klebskaczyk, Klebskaczykskas 15 de mayo de 2024, pequeño.
DOI: 10.1002/smll.202400778
