(PhysOrg.com) -- Använda lättberedda guld nanocages som kan fly från blodomloppet och ackumuleras i tumörer, ett team av utredare från Washington University i St Louis har visat att de kan använda laserljus för att döda mänskliga tumörer hos möss. Resultaten av denna studie, som leddes av Younan Xia och Michael Welch, har publicerats i tidskriften Små .

Även om användningen av guld nanocages för att behandla mänsklig cancer fortfarande är flera år från kliniska prövningar, forskarna är uppmuntrade av sina senaste rön. "Vi såg betydande förändringar i tumörmetabolism och histologi, " säger Dr. Welch, "vilket är anmärkningsvärt med tanke på att arbetet var utforskande, laserns "dos" hade inte maximerats, och tumörerna var "passivt" snarare än "aktivt" riktade."

Nanocages i sig är ofarliga i frånvaro av ljusenergi. "Guldsalter och guldkolloider har använts för att behandla artrit i mer än 100 år, " säger Dr. Welch. "Folk vet vad guld gör i kroppen och det är inert, så vi hoppas att detta kommer att vara ett giftfritt tillvägagångssätt."

Guld nanocages är ihåliga lådor gjorda genom att fälla ut guld på silver nanokuber. Silvret eroderar samtidigt inifrån kuben, kommer in i lösningen genom porer som öppnar sig i kubens avklippta hörn. Suspensioner av guld nanocages, som är ungefär lika stora som en viruspartikel, är inte alltid gula, som man kan förvänta sig, men kan istället vara vilken färg som helst i regnbågen. Färgen på en suspension av nanocages beror på tjockleken på burarnas väggar och storleken på porerna i dessa väggar. Som deras färg, deras förmåga att absorbera ljus och omvandla det till värme kan kontrolleras exakt. "Nyckeln till fototermisk terapi, " säger Dr Xia, "är burarnas förmåga att effektivt absorbera ljus och omvandla det till värme."

Guldnanocages är färgade tack vare en process som kallas ytplasmonresonans. En del av elektronerna i guldet är inte förankrade till enskilda atomer utan bildar istället en fritt flytande elektrongas, Dr Xia förklarar. Ljus som faller på dessa elektroner kan driva dem att svänga som en. Denna kollektiva svängning, ytplasmon, väljer en viss våglängd, eller färg, ut ur det infallande ljuset, och detta bestämmer färgen som en given guld nanocage tar i lösning. Resonansen - och färgen - kan ställas in över ett brett spektrum av våglängder genom att ändra tjockleken på burarnas väggar. För biomedicinska tillämpningar, Dr. Xia och hans kollegor trimmade burarna för att absorbera ljus vid 800 nanometer, en våglängd som faller i ett fönster av vävnadsgenomskinlighet som ligger mellan 750 och 900 nanometer, i den nära-infraröda delen av spektrumet. Ljus i denna sweet spot kan penetrera så djupt som flera centimeter i kroppen (antingen från huden eller det inre av mag-tarmkanalen eller andra organsystem).

Omvandlingen av ljus till värme uppstår från samma fysiska effekt som färgen. Ytplasmonresonansen har två delar. Vid resonansfrekvensen, ljus sprids vanligtvis både från burarna och absorberas av dem. Genom att kontrollera burarnas storlek, Dr. Xia och hans medarbetare skräddarsyr dem för att uppnå maximal absorption. De finjusterar också förmågan hos nanocages att stanna kvar i blodomloppet genom att belägga dem med en biokompatibel polymer som kallas polyetylenglykol (PEG).

I Dr. Welchs labb, möss med tumörer på båda flankerna delades slumpmässigt in i två grupper. Mössen i en grupp injicerades med de PEG-belagda nanocages och de i den andra med buffertlösning. Flera dagar senare exponerades den högra tumören hos varje djur för en diodlaser under 10 minuter. Teamet använde sedan flera olika icke-invasiva avbildningstekniker för att följa effekterna av terapin. Under bestrålning, värmebilder av mössen gjordes med en infraröd kamera. Precis som för andra djur som automatiskt reglerar sin kroppstemperatur, musceller fungerar optimalt endast om musens kroppstemperatur ligger mellan 36,5 och 37,5 grader Celsius. Vid temperaturer över 42 grader Celsius (107 grader Fahrenheit) börjar cellerna dö när proteinerna vars korrekta funktion upprätthåller dem börjar utvecklas.

Infraröda bilder gjorda medan tumörer bestrålades med en laser visar att möss som injicerats med nanocage, ytan på tumören blev snabbt tillräckligt varm för att döda celler. I buffertinjicerade möss, temperaturen vek knappt. Verkligen, i de nanocage-injicerade mössen, hudens yttemperatur ökade snabbt från 32 grader Celsius till 54 grader C, medan de var i de buffertinjicerade mössen, yttemperaturen förblev under normal kroppstemperatur på 37 grader Celsius.

För att se vilken effekt denna uppvärmning hade på tumörerna, mössen injicerades med ett positronemissionstomografi (PET) kontrastmedel som används för att mäta cellulär metabolism. Tumörerna hos möss som injicerats med nanocage var betydligt svagare på PET-skanningarna än hos möss som injicerats med buffert, vilket tyder på att många tumörceller inte längre fungerade. Positronemissionsskanningar gjorda efter fototermisk behandling visade att tumörerna i buffertinjicerade möss fortfarande var metaboliskt aktiva, medan de i nanocage-injicerade möss inte var det. Denna specificitet är det som gör fototermisk terapi så attraktiv som cancerterapi. Tumörerna i de nanocage-behandlade mössen visade sig senare ha markerade histologiska tecken på cellskador.

Trots dessa resultat, Dr. Xia är missnöjd med passiv inriktning. Även om tumörerna tog upp tillräckligt med guldnanocages för att ge dem ett svart gips, endast 6 procent av de injicerade partiklarna ackumulerades på tumörstället. Han skulle vilja att den siffran skulle vara närmare 40 procent så att färre partiklar skulle behöva injiceras. Han planerar att fästa skräddarsydda ligander till nanocages som känner igen och låser sig på receptorer på ytan av tumörcellerna. Förutom att designa nanocages som aktivt riktar sig mot tumörcellerna, teamet överväger att ladda de ihåliga partiklarna med ett cancerbekämpande läkemedel, så att tumören skulle angripas på två fronter.

Detta jobb, som stöddes av National Cancer Institute, beskrivs i uppsatsen "Gold Nanocages as Photothermal Transducers for Cancer Treatment." En sammanfattning av denna artikel finns tillgänglig på tidskriftens webbplats.