Cancercellsdöd utlöses inom tre dagar när röntgenstrålar fokuseras på tumörvävnad som innehåller jodbärande nanopartiklar. Jodet frigör elektroner som bryter tumörens DNA, leder till celldöd. Resultaten, av forskare vid Kyoto University's Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) och kollegor i Japan och USA, publicerades i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

"Att utsätta en metall för ljus leder till frigöring av elektroner, ett fenomen som kallas den fotoelektriska effekten. En förklaring av detta fenomen av Albert Einstein 1905 förebådade födelsen av kvantfysiken, " säger iCeMS molekylärbiolog Fuyuhiko Tamanoi, som ledde studien. "Vår forskning ger bevis som tyder på att det är möjligt att reproducera denna effekt inuti cancerceller."

Ett långvarigt problem med cancerstrålbehandling är att den inte är effektiv i centrum av tumörer, där syrehalten är låg på grund av bristen på djupt penetrerande blodkärl. Röntgenbestrålning behöver syre för att generera DNA-skadligt reaktivt syre när strålarna träffar molekyler inuti cellen.

Tamanoi, tillsammans med Kotaro Matsumoto och kollegor har försökt att övervinna detta problem genom att hitta mer direkta sätt att skada cancer-DNA. I tidigare arbeten, de visade att gadoliniumladdade nanopartiklar kunde döda cancerceller när de bestrålades med 50,25 kiloelektronvolt av synkrotrongenererade röntgenstrålar.

I den aktuella studien, de designade porösa, jod-bärande organosilika nanopartiklar. Jod är billigare än gadolinium och frigör elektroner vid lägre energinivåer.

Forskarna spred sina nanopartiklar genom tumörsfäroider, 3D-vävnad som innehåller flera cancerceller. Bestrålning av sfäroiderna i 30 minuter med 33,2 keV röntgenstrålar ledde till att de förstördes fullständigt inom tre dagar. Genom att systematiskt ändra energinivåer, de kunde visa att den optimala effekten av tumördestruktion inträffar med 33,2 keV röntgen.

Ytterligare analyser visade att nanopartiklarna togs upp av tumörcellerna, lokaliseras strax utanför sina kärnor. Att just rätt mängd röntgenenergi lyste på vävnaden fick jod att frigöra elektroner, som sedan orsakade dubbelsträngsbrott i kärn-DNA, utlöser celldöd.

"Vår studie representerar ett viktigt exempel på att använda ett kvantfysikfenomen inuti en cancercell, " säger Matsumoto. "Det verkar som om ett moln av lågenergielektroner genereras nära DNA, orsakar dubbelsträngbrott som är svåra att reparera, leder så småningom till programmerad celldöd."

Teamet vill sedan förstå hur elektroner frigörs från jodatomer när de utsätts för röntgenstrålar. De arbetar också med att placera jod på DNA snarare än nära det för att öka effektiviteten, och att testa nanopartiklarna på musmodeller av cancer.