(PhysOrg.com) - Rice University fysiker Dmitri Lapotko har visat att plasmoniska nanobubblor, genereras runt guld nanopartiklar med en laserpuls, kan upptäcka och förstöra cancerceller in vivo genom att skapa små, glänsande ångbubblor som avslöjar cellerna och selektivt exploderar dem.

Ett papper i den tryckta oktoberupplagan av tidskriften Biomaterial beskriver effekten av plasmonisk nanobubbla teranostik på zebrafisk implanterad med levande humana prostatacancerceller, visar den guidade ablationen av cancerceller i en levande organism utan att skada värden.

Lapotko och hans kollegor utvecklade konceptet med cellterapi för att förena tre viktiga behandlingsstadier - diagnos, terapi och bekräftelse av den terapeutiska verkan -- till en sammankopplad procedur. Den unika avstämningen av plasmoniska nanobubblor gör proceduren möjlig. Deras djurmodell, zebrafisken, är nästan transparent, vilket gör den idealisk för sådan in vivo -forskning.

National Institutes of Health har insett potentialen i Lapotkos inspirerade teknik genom att finansiera ytterligare forskning som har en enorm potential för teranostiker av cancer och andra sjukdomar på mobilnivå. Lapotkos Plasmonic Nanobubble Lab, ett gemensamt amerikansk-vitryskt laboratorium för grundläggande och biomedicinsk nanofotonik, har fått ett anslag värt mer än 1 miljon dollar under de kommande fyra åren för att fortsätta utveckla tekniken.

I tidigare forskning i Lapotkos hemlabb vid National Academy of Sciences of Belarus, plasmoniska nanobubblor visade sin teranostiska potential. I en annan studie om kardiovaskulära applikationer, nanobubblor filmades när de sprängde sig igenom arteriell plack. Ju starkare laserpuls, desto mer skadar explosionen när bubblorna spricker, gör tekniken mycket avstämbar. Bubblorna varierar i storlek från 50 nanometer till mer än 10 mikrometer.

I zebrafiskstudien, Lapotko och hans medarbetare på Rice riktade antikroppsmärkta guldnanopartiklar in i de implanterade cancercellerna. En kort laserpuls överhettade ytan på nanopartiklarna och avdunstade en mycket tunn volym av det omgivande mediet för att skapa små ångbubblor som expanderade och kollapsade inom nanosekunder; detta lämnade cellerna oskadade men genererade en stark optisk spridningssignal som var tillräckligt stark för att detektera en enda cancercell.

En sekund, starkare puls genererade större nanobubblor som exploderade (eller, som forskarna kallade det, "mekaniskt ablerad") målcellen utan att skada omgivande vävnad i zebrafisken. Spridning av laserljuset med den andra "mördare" -bubblan bekräftade cellförstörelsen.

Att processen är mekanisk till sin natur är nyckeln, Sa Lapotko. Nanobubblorna undviker fallgroparna för kemo- eller strålningsbehandling som kan skada såväl hälsosam vävnad som tumörer.

"Det är inte en partikel som dödar cancercellen, men en övergående och kort händelse, "sa han." Vi omvandlar ljusenergi till mekanisk energi. "

Det nya anslaget kommer att tillåta Lapotko och hans medarbetare att studera de biologiska effekterna av plasmoniska nanobubblor och sedan kombinera deras funktioner till en enda sekvens som skulle ta bara en mikrosekund att upptäcka och förstöra en cancercell och bekräfta resultaten. "Genom att ställa in deras storlek dynamiskt, vi kommer att justera deras biologiska verkan från icke -invasiv avkänning till lokaliserad intracellulär läkemedelsleverans till selektiv eliminering av specifika celler, " han sa.

"Att vara en smyg, on-demand sond med inställbar funktion, den plasmoniska nanobubblan kan appliceras på alla medicinområden, eftersom nanobubblemekanismen är universell och kan användas för att detektera och manipulera specifika molekyler, eller för exakt mikrokirurgi."

Lapotkos medförfattare på Biomaterial papper är Daniel Wagner, biträdande professor i biokemi och cellbiologi; Mary "Cindy" Farach-Carson, biträdande vice provost för forskning och professor i biokemi och cellbiologi; Jason Hafner, docent i fysik och astronomi samt i kemi; Nikki Delk, postdoktoral forskningsassistent; och Ekaterina Lukianova-Hleb, forskare i Plasmonic Nanobubble Lab.