NANOCZĄSTKI ZŁOTA W FOTOTERMICZNEJ TERAPII ANTYNOWOTWOROWEJ Dorota Koperkiewicz Politechnika Gdańska Streszczenie Nanocząstki złota są to kryształy złota w rozmiarze nanometrycznym (10-9 m) zazwyczaj wykorzystywane w formie zawiesiny wodnej. Jednym z ich ciekawszych zastosowań jest terapia nowotworowa bazująca na zniszczeniu komórek nowotworowych poprzez przegrzanie ich hipertermię. Najważniejszą właściwością tej formy złota jest rezonans plazmonów, czyli odpowiednie drgania chmury elektronowej. To zjawisko wiąże się ze zmianą energii świetlnej na energię cieplną. Hipertermia z użyciem nanozłota polega na zamianie energii świetlnej wiązki laserowej, która pada na zmianę nowotworową, na energię cieplną niszczącą komórki, w których znajduje się złoto. Jest to terapia mało inwazyjna, nieniszcząca komórek zdrowych. Synteza nanocząstek złota polega przede wszystkim na redukcji kwasu chlorozłotowego. Drugim elementem przygotowania nanocząstek do użycia jest modyfikacja ich powierzchni. Odpowiednia funkcjonalizacja jest jednym z głównych mechanizmów umożliwiających zastosowanie nanocząstek złota. Umożliwia ona doprowadzenie nanocząstek tylko do komórek nowotworowych, a nie do komórek zdrowych. Przykładowo może przebiegać na zasadzie powinowactwa przeciwciało-antygen. Właściwości złota są zależne od kształtu i rozmiaru. Zmiana rozmiarów kryształów złota jest głównym narzędziem do walki z rakiem. Istnieje jednak kilka problemów, które nie pozwalają w tym momencie na kliniczne wykorzystanie tego rodzaju terapii nowotworowej. Gold nanoparticles in photothermal therapy Summary Gold nanoparticles are gold crystals of nanometric size (10-9 m). They are usually used as a colloid. One of the most interesting application of gold nanoparticles is photothermal therapy (PTT). PTT is based on overheating of tumor cells what destroys them. It is called hyperthermia. The most important property of gold nanoparticles is a plasmon resonance. It is an oscillation of the electron cloud. This phenomenon is connected with the conversion of energy of light to heat. In this example, hyperthermia is based on the conversion of energy of a laser beam, which irradiates onto the tumor, to heat which destroys this tumor. Before the irradiation, gold nanoparticles had been delivered to the tumor cells. PTT is a minimally invasive, nondestructive of healthy cells therapy. Synthesis of gold nanoparticles is usually based on reduction of the chloroauric acid. Appropriate functionalization is one of the main mechanisms which allows to apply gold nanoparticles. Functionalization provides supply of gold nanoparticles directly to tumor cells (healthy cells are untouched). Delivery of functionalized gold nanoparticles involves an antigen-antibody interaction. Properties of gold nanoparticles depend on the shape and size. The change of the size of gold crystals from bulk material to nanomaterial is main tool to defeat cancer. Unfortunately, there are still some problems that do not allow the clinical use of this type of therapy against cancer. www.think.wsiz.rzeszow.pl, ISSN 2082-1107, Nr 1 (21) 2015, s. 56-66
Wprowadzenie Choroba nowotworowa to współcześnie jedna z najczęstszych przyczyn zgonów. Tradycyjne terapie takie, jak chemioterapia i radioterapia nie są w pełni skuteczne, a ponadto poza komórkami nowotworowymi niszczą również komórki zdrowe. Nanotechnologia to dziedzina, która może zapewnić jednocześnie skuteczną i bezpieczną terapię przeciwnowotworową. Dotyczy ona materiałów o rozmiarze mniejszym niż 100 nm. Przykładem terapii z wykorzystaniem nanotechnologii jest hipertermia z użyciem nanocząstek złota. 1. Nanocząstki złota Nanomateriał to rodzaj materiału, którego rozmiar co najmniej jednego z wymiarów jest mniejszy lub porównywalny do 100 nm. Może być to przykładowo nanocząstka (trzy wymiary w skali nano), nanopręt, nanorurka (dwa wymiary w skali nano) lub cienka warstwa (jeden wymiar w skali nano). Ważne jest to, że wraz ze zmianą rozmiaru, zmieniają się właściwości materiału, dzięki czemu nanomateriały mają inne właściwości niż ich tradycyjne odpowiedniki. Przykładem jest omawiane w tej pracy złoto, które tradycyjnie ma kolor zbliżony do żółtego, a jego kuliste nanocząstki o średnicy 25 nm są czerwone. O nanocząstkach mówi się zazwyczaj mając na myśli substancję zbudowaną z ziaren w rozmiarach nano. Przyjmują one różnego rodzaju kształty kuliste, podłużne, w kształcie psiej kości, wąsa, ziarna ryżu. Przykłady różnych kształtów pokazano na rysunku 1. Rys.1. Przykłady różnych kształtów nanocząstek. Źródło:http://www.futurenanoneeds.eu/wp-content/uploads/2014/02/CBNI_library_of_nanoparticle_shapes_ZK.png 57
Nanocząstki złota były wykorzystywane od wielu lat. Najwcześniejszym zastosowaniem nanozłota jest barwnik w kielichu Likurga z czasów starożytnych. Ponadto w Egipcie, Indiach i Chinach używano złota w leczeniu syfilis, ospy i odry 1. Skupiając się na zastosowaniach medycznych, w dzisiejszych czasach nanokryształy złota są najczęściej wykorzystywane w terapii nowotworowej, ale również jako nośniki leków, nośniki w terapii genowej i kontrast w diagnostyce. 1.1. Synteza nanocząstek złota Są dwa rodzaje metod wytwarzania nanomateriałów metoda bottom up i metoda top down. Metoda top down polega na tym, że z materiału tradycyjnego wytwarza się nanomateriał zmniejszając jego rozmiar. Opisując ten proces potocznie, można powiedzieć, że idzie się z rozmiarem z góry na dół. Przykładowo jest to rozdrabnianie moździerzem. Metoda bottom up jest swoistą odwrotnością metody top down. Polega na tworzeniu zarodków i na ich wzroście. Można ją określić jako zwiększanie rozmiaru od dołu (dna) do góry. Najczęściej syntezę nanocząstek złota przeprowadza się metodami bottom up. Wybór metody zależy od tego, jaki kształ i rozmiar chcemy osiągnąć. Najbardziej rozpowszechnioną grupą metod bottom up są syntezy in situ. Polegają one na redukcji chemicznej prekursora przez użycie reduktora. Dodatkowo, ze względu na niestabilność nanocząstek (czyli zlepianie się w większe grupy itp., szczególnie tych o niewielkich rozmiarach) stosuje się stabilizację. Jako prekursor jest używany kwas tetrachlorozłotowy (III), a jako reduktor może być użyta hydrazyna, glukoza, borowodorek sodu, formaldehyd, hydroksyloamina, kwas cytrynowy, a ponadto związki zawarte w czosnku i cebuli 2. Dobór odczynników zależny od przeznaczenia otrzymywanych nanocząstek. W przypadku otrzymywania podłużnych nanocząstek złota, często dodatkowo dodaje się sole srebra (np. AgNO 3 ), ponieważ ilość srebra wpływa na stosunek długości do szerokości nanocząstki. Stabilizacja następuje poprzez dodanie polimerów, dendrymerów lub surfaktantów. Bardzo popularnym stabilizatorem jest surfaktant CTAB. Proces stabilizacji polega na zajęciu miejsca przez stabilizator i zapobiegnięciu agregacji nanocząstek. Przykładem syntezy in situ jest metoda Turkevicha, czyli użycie cytrynianu sodu jako reduktora i stabilizatora jednocześnie. Dzięki tej metodzie można otrzymać nanocząstki w rozmiarach od 15 do 150 nm w zależności od proporcji cytrynianu względem kwasu chlorozłotowego. Zazwyczaj otrzymuje się sferyczne kryształy wielkości ok. 20 nm 3. Inne rodzaje syntezy nanocząstek złota to: metody z użyciem polimerów, surfaktantów i dendrymerów, metoda odwróconych miceli, metody elektrochemiczne, sonochemiczne. Można również syntetyzować nanozłoto przy pomocy biomolekuł, mikrobów, chitozanu 4. Wybór metody zależy jedynie od tego, jaki rozmiar i kształt kryształów jest wymagany do wybranego celu badań. 1 Chen Po C., Mwakwari S. C., Oyelere A. K., Gold nanoparticles: From nanomedicine to nanosensing, Nanotechnology, Science and Aplications, 2008, 1, 45-66. 2 Zhao P., Li N., Astruc D., State of the art in gold nanoparticle synthesis, Coordination Chemistry Reviews, 2013, 257, s. 638-665. 3 Tamże, s. 638-665. 4 Tamże. 58
1.2. Funkcjonalizacja nanocząstek złota Funkcjonalizacja polega na doczepieniu do powierzchni nanozłota elementów, które będą pełnić dodatkowe funkcje. Przykładowo, doczepia się molekuły leków i geny przez co, poza podstawowym zastosowaniem, nanocząstki stają się nośnikami, których zadaniem jest dotarcie do odpowiedniego narządu. Dopiero po dotarciu do danej tkanki lek jest odczepiany, dzięki czemu nie niszczy układu pokarmowego lub innych tkanek. Nanocząstki można opłaszczyć polimerami, które spowodują mniejszą zdolność do agregacji i zwiększą biotolerancję. Przypuszczalnie związki hydrofilowe mogą spowodować, że nanocząstka zostanie oblepiona cząstkami wody i nie będzie odkładać się w nerkach i innych narządach, co jeśli nastąpi może prowadzić do skutków ubocznych. Jest to tylko kilka przykładów funkcjonalizacji nanozłota, ale dzięki temu mechanizmowi można uzyskać o wiele więcej zastosowań jednego rodzaju nanostruktury. Właśnie w ten sposób naukowcy starają się otrzymać wielofunkcyjne nanocząstki, które zaoszczędzą nasz czas, pieniądze, a przede wszystkim będą lepiej zdać o nasze zdrowie. W terapii nowotworowej głównymi problemami, które mogą być rozwiązane przy pomocy odpowiedniej funkcjonalizacji są: agregacja szczególnie w wątrobie, nerkach i śledzionie, zbyt szybkie pozbycie się nanocząstek przez organizm, odpowiednie celowanie nanocząstek, zachowanie się nanocząstek w wyższych temperaturach niż temperatura człowieka (związane jest to z użyciem lasera i hipertermią cząstki pod wpływem podwyższonej temperatury mogą zmieniać swoje właściwości) i toksyczność nanocząstek. Najczęstszą formą funkcjonalizacji jest opłaszczanie nanocząstek polimerami np. PEG (politlenek etylenu. Umożliwia to lepszą internalizację, łączenie się z komórkami. Poza PEG można dołączyć fluorescencyjny barwnik przy pomocy tioli. Dołącza się również biomolekuły biotynę, laktozę i lecytynę, ponadto peptydy i oligonukleotydy. Dzięki doczepionemu barwnikowi można śledzić drogę nanocząstek złota do wybranych komórek. Należy jednak zwrócić uwagę, że większość procesów zależy od rozmiaru, kształtu nanocząstek, a także wielkości i wagi ligandów oraz właściwości dobranego polimeru 5. Innym sposobem funkcjonalizacji, która umożliwia lepsze celowanie jest funkcjonalizacja peptydami i aminokwasami. Ich zadaniem jest m.in. wiązanie DNA w mało toksyczny sposób. Nanocząstki zfunkcjonalizowane aminami przenoszą sirna-peg i hamują wzrost komórek raka prostaty. Dołączenie peptyd (np. CALNN) umożliwia celowanie w elementy wewnątrzkomórkowe. Wybór odpowiednich peptydów umożliwia w ten sposób wycelowanie do komórek guza i późniejsze zniszczenie go. Innym sposobem jest dołączenie oligonukleotydu odpowiadającemu sekwencji danego antygenu. Przykładowo używa się nanocząstek z PSMA (prostate specific membrane antigen). Umożliwia to detekcję i obrazowanie komórek nowotworowych 6. W przypadku terapii nowotworowej, która bazuje na zjawisku hipertermii, ciekawą funkcjonalizacją jest dołączenie witaminy C tak, aby nanocząstka stała się nośnikiem. Problemem w przypadku dożylnego podawania witaminy C jest fakt, że jej nadmiar jest bardzo szybko usuwany z organizmu wraz z moczem, ponieważ witamina C rozpuszcza się w wodzie. Nanocząstki mogłyby temu zapobiec poprzez wpuszczenie witaminy C do organizmu dopiero w miejscu nowotworowo zmienionym.. Badania 5 Tamże. 6 Tamże.
dowodzą, że hipertermia z zastosowaniem witaminy C z większą skutecznością powoduje zniszczenie komórkek nowotworowych, więc użycie kwasu askorbinowego, przyłączenie innych, dodatkowych elementów niszczących komórki nowotworowe do nanocząstek złota i użycie hipertermii potencjalnie może być bardzo efektywne w walce z rakiem 7. 1.3. Właściwości nanocząstek złota Jak już wcześniej wspomniano, właściwości nanocząstek są związane z ich rozmiarem i kształtem. Jest to powiązane z energią powierzchniową. Nanomateriały dążą do jak najmniejszej energii powierchniowej, co wpływa na kształt i rozmiar. Energia powierzchniowa ścian jest zależna od nieregularności powierzchni i gęstości powierzchniowej wolnych wiązań. Inaczej mówiąc, nanostruktury dążą do jak najgładszej i najlepiej upakowanej powierzchni, przez co zmienia się ich kształt i rozmiar. W nanostrukturach ważnym elementem, który również jest powiązany z właściwościami, jest powierzchnia. Wiadomo, że powierzchnia złota jest odporna na działanie kwasów i zasad. Wiadomo również, że złoto ma silne powinowactwo do siarki. Związkami, które łączą się ze złotem w temperaturze pokojowej tworząc monowarstwę na jego powierzchni są związki z grupą tiolową -SH. Dzięki temu, przy użyciu tiolanów można dołączać do złota leki, barwniki i inne potrzebne związki. W ten sposób można przyłączać związki, które sprawią, że powierzchnia zostanie naładowana ujemnie lub dodatnio. Taka sytuacja występuje poprzez dołączenie grupy -COOH, która ulega deprotonacji w wodzie do COO -8. Ładunek zebrany na powierzchni jest ważnym elementem w przypadku endocytozy, dlatego, że błona komórkowa przy nieodpowiednim ładunku będzie odpychać nanocząstkę. Również jeśli potencjał na powierzchni nanocząstki ma wartość bezwzględną większą od 30 mv, to nanocząstka jest uważana za stabilną (cząstki odpychają się od siebie nawzajem i nie łączą się w większe struktury). Te wszystkie przykłady pokazują jak ważna jest odpowiednia i świadoma modyfikacja powierzchni nanocząstek. Złoto jest metalem, czyli przewodnikiem elektrycznym. Ze względu na specyfikę wiązań metalicznych, posiada swobodne elektrony, które przy przyłożeniu naprzemiennego potencjału będą oscylować. Naprzemienny potencjał można zapewnić używając fali elektromagnetycznej. W ten sposób dla pewnej, własnej częstotliwości chmury elektronowej uzyska się rezonans. Rysunek obrazujący to zjawisko jest przedstawiony poniżej (Rysunek 2). Jeśli cząstka będzie miała kształt wydłużony wzdłuż strzałek, jak na rysunku powyżej, wtedy chmura elektronów będzie drgała z większą amplitudą. W takim przypadku amplituda drgań jest ściśle powiązana z rozmiarem i kształtem nanocząstki złota. Podobne zależności przebiegają dla nanocząstek o innych kształtach. W sytuacji, kiedy występuje zjawisko rezonansu plazmonów, nasz oscylator absorbuje najwięcej energii. Takie zjawiska najczęściej bada się spektrofotometrem UV-vis-NIR. Przykładowy wynik pomiaru takim urządzeniem został przedstawiony na rysunku 3. 7 Huang C.J., Chiu P.H., Wang Y.H.,. Meen T.H, Yang C. F., Synthesis and characterization of gold nanodogbones by the seeded mediated growth method, Nanotechnology, 2007, 18. 8 Cademartiri L., Ozin G. A., Nanochemia. Podstawowe koncepcje, PWN, Warszawa 2012.
Rys.2. Zobrazowanie zjawiska rezonansu plazmonów. Źródło: http://gregemmerich.files.wordpress.com/2012/11/lspr.jpg Rys.3. Przykładowy wynik pomiaru spektrofotometrem UV-vis-NIR. Źródło: http://ej.iop.org/images/0957-4484/23/11/115501/full/nano417944f2_online.jpg Z takiego pomiaru można odczytać maksima absorpcyjne, czyli długość fali dla której zachodzi zjawisko rezonansu. Dwa maksima świadczą o tym, że nanocząstka ma kształt podłużny (nanopręty na rysunku 3). W jednym kierunku jest krótsza, a w drugim dłuższa. Jest do dobry przykład wpływu
kształtu nanocząstki na jej właściwości. Kształt nanocząstek można modyfikować za pomocą defektów. Ze zjawiskiem absorpcji wynika również purpurowoczerwony kolor złota koloidalnego. Kolor jest dość ważną cechą, ponieważ jeśli nanocząstki zaczną się do siebie zbliżać to kolor roztworu zmienia się z czerwonego na niebieski. Można w ten sposób gołym okiem zauważyć tak niepożądane w naszym przypadku zjawisko, jakim jest agregacja 9. 2. Hipertermia z wykorzystaniem nanocząstek złota Problemem tradycyjnych terapii przeciwnowotworowych jest to, że czynnik niszczący komórki rakowe również niszczy komórki zdrowe. Częstym problemem jest wytrzymanie chemioterapii czy radioterapii. W związku z tym, dąży się do tego, aby terapie nowotworowe z użyciem nanomateriałów były skuteczne, a jednocześnie niszczyły tylko komórki nowotworowe. Badania na temat terapii nowotworowych z wykorzystaniem nanostruktur idą w dobrym kierunku, ponieważ przeprowadza się coraz więcej prób wczesnoklinicznych. 2.1. Zasada działania hipertermii Hipertermia jest to nieinwazyjna metoda leczenia raka. Komórki nowotworowe poprzez doprowadzenie do nich odpowiednio sfunkcjonalizowanych nanocząstek złota są narażone na wyższe niż normalnie temperatury, które doprowadzają do ich zniszczenia (40-60 o C). Komórki nowotworowe przez swój specyficzny metabolizm są bardziej narażone na działanie hipertermii 10. Jeśli dodamy do tego nanocząstki złota, przez które przepuścimy wiązkę lasera o odpowiedniej długości fali otrzymamy skuteczną broń do walki z rakiem. Długość fali jest dobierana na podstawie widma absorpcji przedstawionego w poprzednim rozdziale. Nanocząstki złota odpowiednio sfunkcjonalizowane potrafią dotrzeć do danego rodzaju nowotworu. Ze względu na cechy komórek nowotworowych (silne ukrwienie, otwory), nanocząstki mogą dotrzeć do ich wnętrza. Ze względu na to, że nanocząstki złota umożliwiają konwersję światła lasera na ciepło, przy naświetlaniu laserem następuje podwyższenie temperatury wokół cząstek złota, co powoduje przerwanie błony komórkowej nowotworu. Wytworzenie ciepła jest skutkiem m.in. odziaływań elektron-fonon i fonon-fonon. Dodatkowo terapia w podwyższonej temperaturze wiąże się z cytotoksycznością w środowisku o niskim ph i małym dotlenieniu. Takie warunki występują w komórkach nowotworowych, ale nie w komórkach zdrowych, więc komórki nowotworowe obumierają 11. Aby wiązka lasera nie zniszczyła zdrowych komórek należy naświetlać tkanki wiązką o długości fali z zakresu bliskiej podczerwieni, dlatego lepszymi od kulistych nanocząstek złota są nanocząstki podłużne, ponieważ mają one maksimum absorbcyjne właśnie w zakresie bliskiej podczerwieni 12. Można przeprowadzić łatwy eksperyment dotyczący przechodzenia światła o długości fali z zakresu podczerwonego przez tkanki. Jeśli sporzy się na swoją dłoń pod słońce to dłoń zdaje się być czerwona. Wynika to stąd, że reszta długości fal jest absorbowana przez tkanki, a światło z zakresu podczerwonego nie jest. 9 Tamże. 10 Huang C.J., Synthesis, dz. cyt. 11 Cademartiri L., Ozin G. A., Nanochemia, dz. cyt. 12 Tamże.
Zdobyta przez naukowców wiedza może również zostać wykorzystana do zaprojektowania skutecznej terapii kombinowanej, czyli takiej, która wykorzystuje zjawisko hipertermii z cząstkami złota, chemioterapię i radioterapię. 2.2. Laser w metodologii hipertermi W hipertermii używa się lasera NIR (near-infrared region), ponieważ jego wiązka jest słabo absorbowana przez hemoglobinę i wodę. Jest to tak zwane okno biologiczne, które odpowiada zakresowi 750-1100 nm. Przykładowo otrzymana przez naukowców głębokość penetracji wiązki wynosiła 4-6 mm (w przypadku guza podskórnego po wstrzyknięciu nanocząstek rdzeń-powłoka krzemzłoto bezpośrednio do nowotworu). Komórki naświetlano laserem ciągłym NIR o parametrach: długość fali 820 nm, gęstość mocy 4 W/cm 2, wielkość plamki 5 mm i czas ekspozycji 6 min. Preferuje się jednak używanie lasera pracującego w trybie impulsowym. Laser impulsowy ze względu na swój tryb pracy pozwala na bardziej efektywną konwersję fototermiczną. Jak się okazało, przerwa pomiędzy impulsami jest dogodnym czasem na relaksację elektron-fonon. Ponadto, energia promieniowania lasera femtosekundowego przypadająca na nanocząstkę jest mniejsza niż w przypadku lasera ciągłego. Dlatego użyto impulsowego lasera femtosekundowego NIR o mocy 0,75 mw in vitro zamiast używać lasera ciągłego, którego moc osiągała aż 6 mw przy tych samych efektach. Ogrzewanie laserem jest zależne od intensywności naświetlania, przekroju absorpcyjnego nanocząstek złota oraz rozkładu i koncentracji nanocząstek w tkance. Aby uzyskać najlepsze wyniki wykonuje się modele komputerowe takich doświadczeń. Dzięki temu okazało się, że nanocząstki mają tendencję do gromadzenia się w węższych przestrzeniach guza. Problemy związane z dotarciem do guza mogą być rozwiązane przez metody endoskopowe lub włókna optyczne. Inne źródła, które mogą być wykorzystywane zamiast światła laserowego to ablacja prądem o częstotliwościach radiowych lub ciecze magnetyczne wraz z polem magnetycznym 13. Jednym z problemów związanych z działaniem lasera, nad którym naukowcy nadal pracują jest to, że używane złoto zmienia kształt pod wpływem jego światła, co zmienia jego właściwości. 2.3. Rodzaje nanocząstek w hipertermii Ze względu na swoje właściwości, naukowcy badają różne rodzaje nanocząstek złota tak, aby uzyskać te najmniej szkodzące zdrowiu i najbardziej skuteczne. Różnią się one kształtem, rozmiarem, wielkością i strukturą. Odkryto też, że często różne cząstki działają na różne guzy. Stuktury rdzeń-powłoka i krzem-złoto są złożone z krzemowego rdzenia i cienkiej powłoki złota. Dzięki zmianie grubości złotej powłoki i jej rdzenia można uzyskać zakres rezonansu od długości fali światła widzialnego do bliskiej podczerwieni. Są syntezowane przy pomocy metody seed-mediated growth, gdzie ziarna złota koloidalnego są przyłączane do wcześniej otrzymanych krzemowych rdzeni, a następnie dookoła rdzeni tworzy się z ziaren złota powłoka. Ten rodzaj nanocząstek był testowany w badaniach in vitro raka piersi, prostaty, mózgu i wątroby. Ponadto są one skuteczne w walce z guzami podskórnymi u myszy i psów. W przeciwieństwie do reszty nanocząstek, większe nanocząstki rdzeń-powłoka krzem-złoto mogą być stosowane w obrazowaniu, ale ze względu na ich rozmiar są 13 Kennedy L. C., Bickford L. R., Lewinski N. A., Hu Y., Day E. S., West J. L., Drezek R. A., A New Era for Cancer Treatment: Gold-Nanoparticle - Mediated Thermal Therapie, Small, 2010, 20, s. 1-15.
problemy z zastosowaniem ich jako nośników, ponieważ dołączenie substancji transportującej zwiększa rozmiary transportera. Nanopręty złota są mniejsze niż wyżej opisane cząstki. Ich zaletą jest rozmiar porównywalny do złota koloidalnego 10 nm x 50 nm. Mają wysoki współczynnik absorpcji. Badanie UV-vis-NIR ujawnia, że mają dwa maksima absorpcji w kierunku podłużnym i poprzecznym. W kierunku poprzecznym maksimum wypada na około 520 nm, a w kierunku podłużnym jest przestrajalne od wartości światła widzialnego do NIR. Nanopręty są skuteczne w leczeniu raka płaskonabłonkowego i raka jelita grubego u myszy. Mogą być stosowane w obrazowaniu jako sondy, wzmacniają kontrast w mikroskopii pola ciemnego i mikroskopii dwufotonowej. Problemem jest fakt, że nanopręty zmieniają kształt na kulisty pod wpływem intensywnego naświetlania laserem. Niestety w ten sposób można utracić kształt zapewniający wykorzystanie światła z zakresu podczerwonego, czyli bezpiecznego dla zdrowych komórek. Na szczęście zjawisko to również zależy od powierzchni cząstek, czyli odpowiednia funkcjonalizacja może zapobiec zmianie kształtu pod wpływem światła lasera. Dyfuzja ciepła przez powierzchnię pokrywającą nanocząstkę (np. polimer PEG) może albo nasilić albo hamować proces zmiany kształtu. Małe nanocząstki złota to grupa składająca się z nanocząstek złoto-siarczek złota, pustych w środku złotych nanopowłok i złotych nanoklatek. Są one przebadane w badaniach in vivo jako nośniki głównie leków. Nanocząstki siarczkowe mają rozmiar 25 nm i są mniejsze niż wspomniane wcześniej struktury typu rdzeń-powłoka (złoto-krzem). Są one wytwarzane przez redukcję kwasu chlorozłotowego używając siarczku sodu. Po syntezie należy obmyć nanocząstki, aby uzyskać złoto koloidalne. Ten rodzaj cząstek wykazuje jedno maksimum absorpcji przy 520 nm, a drugie w zakresie NIR. Istnieje pewna nieścisłość związana ze strukturą tych cząstek. Jedni naukowcy opisują je jako strukturę rdzeń-powłoka, gdzie rdzeń to siarczek złota, a powłoka to cienka warstwa złota, a inni jako złoty rdzeń z siarczkową powłoką. Ważne jest to, że ich widmo absorpcji jest odpowiednie do zastosowania w terapii nowotworowej. Było to potwierdzone w badaniu komórek raka prostaty. Bazując na teorii Mie udowodniono, że poziom absorpcji tych cząstek wynosi 98%. Najczęściej ten rodzaj nanostruktur ma rozmiar rdzenia około 30-40 nm i powłoki 3-6 nm. Drugim typem nanocząstek wspomnianym w tym rozdziale są puste nanopowłoki. Średnica przestrzeni wewnątrz wynosi maksymalnie 30 nm, a powłoka ma około 8 nm grubości. Takie nanostruktury można otrzymać przez wytworzenie nanocząstek kobaltu lub srebra i późniejsze utlenienie ich w kwasie chlorozłotowym. Nanopowłoki były badane pod kątem leczenia czerniaka. Ten rodzaj cząstek, poza zastosowaniem w terapii nowotworowej, może być używany jako nośnik leków lub enzymów. Ostatni przykład nanostruktury to złote nanoklatki. Są syntezowane najpierw przez wytworzenie srebrnego templatu, a potem zastąpienie templatu przez złoto odpowiednio, jak w pustych nanopowłokach. Ich maksimum absorpcji mieści się między 400 nm a 1200 nm, a ich rozmiar to 30-200 nm. Poza zastosowaniem w leczeniu raka piersi i glejaka, te cząstki są badane pod kątem konstrastu do optycznej tomografii koherencyjnej (Optical Coherence Tomography OCT). Kuliste nanocząstki złota są łatwe do wytworzenia poprzez redukcję kwasu chlorozłotowego. Jednak dużą wadą tych cząstek jest jedno maksimum absorpcji około 530 nm. Jest on poza oknem biologicznym, co oznacza, że światło lasera działa również na zdrowe tkanki. Kuliste nanocząstki złota badano w celu sprawdzenia, czy ten rodzaj nanostruktur jest w stanie zniszczyć nowotwór jamy ustnej. Użyto lasera argonowego o długości fali 514 nm, co odpowiada nanocząstkom o rozmiarze 40 nm.
Udowodniono, że komórki raka z tymi cząstkami zostały zniszczone laserem o mocy 2-3 razy mniejszej niż potrzeba do zniszczenia zdrowych komórek. Aby otrzymać maksimum absorpcji w NIR potrzeba spowodować aglomerację lub agregację nanocząstek sferycznych. Przy takich połączonych strukturach moc lasera niszczącego komóki nowotworowe jest 20 raz mniejsza od mocy potrzebnej do zniszczenia komórek zdrowych. Cząstki niezagregowane wprowadza się do komórek raka, a przez endocytozę dostają się one do środka komórki. Nanocząstki znajdują się blisko siebie w endosomach tworząc struktury mające maksimum absorpcyjne w NIR. Przez użycie lasera impulsowego tworzą się dookoła powstałych klastrów bąbelki nieodwracalnie niszcząc komórkę. Ponadto te bąbelki są wykrywalne przez mikroskopy fototermiczne. Te struktury były badane pod kątem walki z białaczką i rakiem piersi 14. Jest to rodzaj terapii termicznej tzw. terapia fotodynamiczna. 3. Toksyczność nanocząstek złota Poza cudownymi właściwościami nanocząstek, wykazują one niestety również cytotoksyczność często związaną właśnie z ich właściwościami. Przeprowadzono test na embrionalnych komórkach macierzystych (EST). Jest to standardowy test do sprawdzenia toksyczności. Nanocząstki złota o rozmiarze około 5 nm umieszczono w komórkach na okres 5 dni. Okazało się, że wywołują one stres oksydacyjny i są toksyczne dla omułek przy koncentracji 750 ppb po 24 h. Pozostałości cytrynianu sodu, który jest używany jako stabilizator i reduktor, również są toksyczne dla linii komórek pęcherzykowych. Cytrynian wpływa nie tylko negatywnie na żywotność komórek, ale też na ich namnażanie. Mniejszą cytotoksyczność wykazują nanocząstki pokryte polikaprolaktonem (PCL). Cytotoksyczność jest zależna od rozmiaru, kształtu, dawki i funkcjonalizacji nanocząstek. Przykładowo nanocząstki złota pokryte PEG o rozmiarach 13 nm w badaniach in vivo u myszy wywołały ostre zapalenie i apoptozę w wątrobie. Efekty cytotoksyczności były minimalizowane przez funkcjonalizację peptydami 15. Ogólnie, sferyczne nanocząstki złota wywołują niewielką toksyczność in vitro, redukując 15% żywotności komórek przy koncentracji 200 mg/l po 24 h. Poza rozmiarem, kształtem i funkcjonalizacją na cytotoksyczność również wpływa ładunek nanocząstek. Udowodniono, że te z ładunkiem dodatnim są bardziej toksyczne od tych z ładunkiem ujemnym 16. Podsumowanie Coraz więcej ludzi choruje na raka. Tradycyjne terapie nowotworowe takie, jak chemioterapia i radioterapia są skrajnie dalekie od doskonałości i nieskuteczne. Powodują komplikacje, złe samopoczucie, wycieńczenie organizmu i z czasem śmierć. Dodatkowo są drogie. Naukowcy postarali się stawić czoła tym problemom i odpowiedzią na nie są terapie nowotworowe z użyciem nanocząstek m.in. złota, tlenków żelaza i innych. Te terapie mają dużo więcej zalet niż tradycyjne, ale jednak nadal mają ważne wady. Nadal się pracuje nad nimi i coraz więcej wad zostaje zniwelowanych. W przypadku badania i odkrywania nowych terapii i nanocząstek w nich używanych, ważna jest wiedza, technologia, pieniądze, ale również wyobraźnia, która często jest jedynym naszym ograniczeniem. 14 Tamże, s. 1-15. 15 Tiwari P. M., Vig K., Dennis V. A., Singh S. R., Functionalized Gold nanoparticles and their biomedical applications, Nanomaterials, 2011, 1, s. 31-63. 16 Kennedy L. C., A New, dz. cyt., s. 1-15.
Bibliografia 1. Cademartiri L., Ozin G. A., Nanochemia. Podstawowe koncepcje, PWN, Warszawa 2012 2. Chen Po C., Mwakwari S. C., Oyelere A. K., Gold nanoparticles: From nanomedicine to nanosensing, Nanotechnology, Science and Aplications, 2008, 1 3. Huang C.J., Chiu P.H., Wang Y.H., Meen T.H, Yang C. F., Synthesis and characterization of gold nanodogbones by the seeded mediated growth method, Nanotechnology, 2007, 18 4. Kennedy L. C., Bickford L. R., Lewinski N., Hu Y., Day E. S., West J. L., Drezek R. A., A New Era for Cancer Treatment: Gold-Nanoparticle- Mediated Thermal Therapies, Small, 2010, 20 5. Tiwari P. M., Vig K., Dennis V. A., Singh S. R., Functionalized Gold nanoparticles and their biomedical applications, Nanomaterials, 2011, 1 6. Zhao P., Li N., Astruc D., State of the art in gold nanoparticle synthesis, Coordination Chemistry Reviews, 2013, 257