Una serie di immagini mostra:A) un'immagine a luce bianca di contrasto di interferenza differenziale (DIC) dell'embrione di zebrafish etichettato con cellule di cancro alla prostata umane fluorescenti; B) un'immagine fluorescente dell'embrione in A, rivelando le cellule cancerose xenotrapiantate; C) un'immagine DIC ad alto ingrandimento della pinna caudale ventrale; D) un'immagine fluorescente della stessa regione in C che rivela cellule xenotrapiantate (punta di freccia); ed E) un'immagine fusa di C e D. (Credit:Wagner Lab/Rice University)
(PhysOrg.com) -- Il fisico della Rice University Dmitri Lapotko ha dimostrato che le nanobolle plasmoniche, generato attorno a nanoparticelle d'oro con un impulso laser, può rilevare e distruggere le cellule tumorali in vivo creando minuscoli, bolle di vapore lucide che rivelano le cellule e le fanno esplodere selettivamente.
Un articolo nell'edizione cartacea di ottobre della rivista Biomateriali descrive in dettaglio l'effetto della teranostica delle nanobolle plasmoniche sul pesce zebra impiantato con cellule di cancro alla prostata umano vivo, dimostrando l'ablazione guidata delle cellule cancerose in un organismo vivente senza danneggiare l'ospite.
Lapotko e i suoi colleghi hanno sviluppato il concetto di teranostica cellulare per unire tre importanti fasi del trattamento:diagnosi, terapia e conferma dell'azione terapeutica -- in un'unica procedura connessa. La sintonizzabilità unica delle nanobolle plasmoniche rende possibile la procedura. Il loro modello animale, il pesce zebra, è quasi trasparente, che lo rende ideale per tale ricerca in vivo.
Il National Institutes of Health ha riconosciuto il potenziale della tecnica ispirata di Lapotko finanziando ulteriori ricerche che hanno un enorme potenziale per la teranostica del cancro e di altre malattie a livello cellulare. Laboratorio di nanobolle plasmoniche di Lapotko, un laboratorio congiunto americano-bielorusso per la nanofotonica fondamentale e biomedica, ha ricevuto una sovvenzione del valore di oltre 1 milione di dollari nei prossimi quattro anni per continuare a sviluppare la tecnica.
In precedenti ricerche nel laboratorio domestico di Lapotko presso l'Accademia Nazionale delle Scienze della Bielorussia, le nanobolle plasmoniche hanno dimostrato il loro potenziale teranostico. In un altro studio sulle applicazioni cardiovascolari, le nanobolle sono state filmate mentre si facevano strada attraverso la placca arteriosa. Più forte è l'impulso laser, più dannosa è l'esplosione quando le bolle scoppiano, rendendo la tecnica altamente sintonizzabile. Le dimensioni delle bolle variano da 50 nanometri a più di 10 micrometri.
Nello studio sul pesce zebra, Lapotko e i suoi collaboratori della Rice hanno diretto nanoparticelle d'oro etichettate con anticorpi nelle cellule tumorali impiantate. Un breve impulso laser ha surriscaldato la superficie delle nanoparticelle ed ha fatto evaporare un volume molto sottile del mezzo circostante per creare piccole bolle di vapore che si sono espanse e collassate in nanosecondi; questo ha lasciato le cellule intatte ma ha generato un forte segnale di diffusione ottica che era abbastanza luminoso da rilevare una singola cellula cancerosa.
Un secondo, un impulso più forte ha generato nanobolle più grandi che sono esplose (o, come lo chiamavano i ricercatori, "ablazione meccanicamente") la cellula bersaglio senza danneggiare il tessuto circostante nel pesce zebra. La diffusione della luce laser da parte della seconda bolla "killer" ha confermato la distruzione cellulare.
Che il processo sia di natura meccanica è fondamentale, disse Lapotko. Le nanobolle evitano le insidie della chemio o della terapia radiativa che possono danneggiare i tessuti sani e i tumori.
"Non è una particella che uccide la cellula cancerosa, ma un evento transitorio e breve, " ha detto. "Stiamo convertendo l'energia luminosa in energia meccanica."
La nuova sovvenzione consentirà a Lapotko e ai suoi collaboratori di studiare gli effetti biologici delle nanobolle plasmoniche e quindi combinare le loro funzioni in un'unica sequenza che impiegherebbe solo un microsecondo per rilevare e distruggere una cellula cancerosa e confermare i risultati. "Regolando dinamicamente le loro dimensioni, sintonizzeremo la loro azione biologica dal rilevamento non invasivo al rilascio localizzato intracellulare di farmaci fino all'eliminazione selettiva di cellule specifiche, " Egli ha detto.
"Essendo un furtivo, sonda on-demand con funzione sintonizzabile, la nanobolla plasmonica può essere applicata a tutte le aree della medicina, poiché il meccanismo delle nanobolle è universale e può essere impiegato per rilevare e manipolare molecole specifiche, o per microchirurgia precisa."
I coautori di Lapotko sul Biomateriali carta sono Daniel Wagner, assistente professore di biochimica e biologia cellulare; Mary "Cindy" Farach-Carson, vicerettore associato per la ricerca e professore di biochimica e biologia cellulare; Jason Hafner, professore associato di fisica e astronomia e di chimica; Nikki Delk, assegnista di ricerca post-dottorato; ed Ekaterina Lukianova-Hleb, ricercatore presso il Plasmonic Nanobubble Lab.
