十亿分之一米大小的金粒子对癌细胞具有致命性。这一事实早已为人所知，并且存在一个简单的相关性：用于对抗癌细胞的纳米粒子越小，癌细胞死亡的速度就越快。然而，波兰科学院核物理研究所使用一种新颖的显微技术进行的最新研究揭示了这些相互作用的更有趣、更复杂的图景。
纳米粒子越小，杀伤力越快——这是之前人们对于用于对抗癌细胞的金纳米粒子的看法。科学家们认为，纳米粒子越小，就越容易穿透癌细胞内部，在那里，它们的存在会导致代谢紊乱，最终导致细胞死亡。然而，事实却要复杂得多，正如波兰科学院核物理研究所 (IFJ PAN) 的科学家在克拉科夫进行的一项研究中证实的那样，这项研究得到了热舒夫大学 (UR) 和热舒夫理工大学进行的理论分析的支持。
“我们的研究所拥有一个最先进的质子放射治疗医疗和加速器中心。因此，当几年前有报道称金纳米粒子可以成为良好的放射增敏剂并增强此类治疗的效果时，我们开始自行合成它们并测试它们与癌细胞的相互作用。我们很快发现纳米粒子的毒性并不总是像预期的那样，”研究发起人、讨论该结果的文章的第一作者、发表在《纳米微型小》杂志上的工程师 Joanna Depciuch-Czarny 博士 (IFJ PAN) 说道。
纳米粒子可以用各种方法生产，产生不同大小和形状的粒子。在开始用金纳米粒子进行自己的实验后不久，IFJ PAN 物理学家注意到生物学并不遵循流行的规则，即它们越小毒性越大。在克拉科夫生产的 10 纳米大小的球形纳米粒子对所研究的神经胶质瘤细胞系几乎无害。然而，暴露于大小高达 200 纳米但具有星形结构的纳米粒子的细胞死亡率很高。
由于使用了波兰第一台全息断层显微镜，阐明了所述矛盾。该显微镜由 IFJ PAN 利用波兰科学与高等教育部的资金购买。
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，全息断层显微镜最近也发挥了类似的作用。在这里，细胞也被辐射束扫描，只是不是高能辐射，而是电磁辐射。其能量的选择使得光子不会干扰细胞代谢。扫描的结果是一组全息横截面，其中包含有关折射率变化分布的信息。由于光在细胞质和细胞膜或细胞核上的折射不同，因此可以重建细胞本身及其内部的三维图像。
“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将任何外来物质引入细胞。因此，可以在培养癌细胞的培养箱中直接观察金纳米粒子与癌细胞的相互作用，在不受干扰的环境中，更重要的是具有纳米分辨率，同时从各个方面几乎实时地观察癌细胞，”Depciuch-Czarny 博士列举道。
全息断层扫描的独特功能使物理学家能够确定癌细胞在金纳米粒子存在下出现意外行为的原因。对三种细胞系进行了一系列实验：两种是神经胶质瘤，一种是结肠。除其他外，还观察到，尽管小的球形纳米粒子很容易穿透癌细胞，但细胞会再生，甚至开始再次分裂，尽管最初有压力。在结肠癌细胞的情况下，金纳米粒子很快被推出。对于大型星形纳米粒子，情况有所不同。它们的尖头刺穿了细胞膜，很可能导致细胞内氧化应激增加。当这些细胞无法再应对修复增加的损伤时，就会触发细胞凋亡或程序性死亡机制。
“我们利用克拉科夫实验的数据建立了一个理论模型，用于研究纳米颗粒在细胞内的沉积过程。最终结果是一个微分方程，可以将适当处理的参数代入其中——目前只描述纳米颗粒的形状和大小——以快速确定癌细胞在给定时间内对所分析颗粒的吸收情况，”UR 教授、模型合著者 Pawel Jakubczyk 博士说，然后强调：“任何科学家都可以在自己研究的设计阶段使用我们的模型，立即缩小需要实验验证的纳米颗粒变体的数量。”
能够轻松减少需要进行的潜在实验数量，意味着购买细胞系和试剂的成本降低，研究时间也显著缩短(通常仅培养一个市售细胞系就需要大约两周时间)。此外，该模型还可用于设计比以前更有针对性的疗法——在这些疗法中，纳米颗粒将被选定的癌细胞特别好地吸收，同时对患者其他器官中的健康细胞保持相对较低甚至零毒性。
克拉科夫-热舒夫的科学家小组已经准备好继续他们的研究。新的实验很快就能将纳米粒子与癌细胞相互作用的模型扩展为包括更多参数，例如粒子的化学成分或其他肿瘤类型。后续计划还包括用数学元素补充模型，以优化光或质子疗法对纳米粒子和肿瘤的特定组合的疗效。