![Wanneer röntgenstralen worden bestraald op tumorweefsel dat jodiumhoudende nanodeeltjes bevat, laat het jodium elektronen vrij die DNA breken en de kankercellen doden. Krediet: Mindy Takamiya/Kyoto University iCeMS Kwantumfysica helpt kankercellen te vernietigen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/quantum-physics-helps.jpg)
Wanneer röntgenstralen worden bestraald op tumorweefsel dat jodiumhoudende nanodeeltjes bevat, laat het jodium elektronen vrij die DNA breken en de kankercellen doden. Krediet: Mindy Takamiya/Kyoto University iCeMS
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, wat 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 het onderzoek 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 vanwege 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 heeft samen met Kotaro Matsumoto en collega’s geprobeerd dit probleem op te lossen door directere manieren te vinden om kanker-DNA te beschadigen. In eerder werk toonden ze aan dat met gadolinium beladen nanodeeltjes kankercellen kunnen doden wanneer ze worden bestraald met 50,25 kilo-elektronvolt synchrotron-gegenereerde röntgenstralen.
In de huidige studie ontwierpen ze poreuze, jodiumhoudende 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 systematisch de energieniveaus te veranderen, konden ze 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, net buiten hun kernen gelokaliseerd. Door precies de juiste hoeveelheid röntgenenergie op het weefsel te laten schijnen, zorgde jodium ervoor dat elektronen vrijkwamen, wat vervolgens dubbelstrengs breuken in het nucleaire DNA veroorzaakte, wat celdood veroorzaakte.
“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 dicht bij het DNA wordt gegenereerd, waardoor dubbelstrengsbreuken ontstaan die moeilijk te herstellen zijn, wat uiteindelijk leidt 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 in de buurt om de werkzaamheid te vergroten en om de nanodeeltjes te testen op muismodellen van kanker.
Yuya Higashi et al, Jodiumbevattende poreuze organosilica-nanodeeltjes veroorzaken vernietiging van tumorsferoïden bij monochromatische röntgenbestraling: DNA-breuken en K-edge-energieröntgenstraling, Wetenschappelijke rapporten (2021). DOI: 10.1038/s41598-021-93429-9
Wetenschappelijke rapporten
Geleverd door de Universiteit van Kyoto