La morte delle cellule cancerose viene innescata entro tre giorni quando i raggi X vengono focalizzati sul tessuto tumorale contenente nanoparticelle che trasportano iodio. Lo iodio rilascia elettroni che rompono il DNA del tumore, portando alla morte cellulare. Le scoperte, dagli scienziati dell'Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) dell'Università di Kyoto e da colleghi in Giappone e negli Stati Uniti, sono stati pubblicati sulla rivista Rapporti scientifici .

"Esporre un metallo alla luce porta al rilascio di elettroni, un fenomeno chiamato effetto fotoelettrico. Una spiegazione di questo fenomeno da parte di Albert Einstein nel 1905 preannunciava la nascita della fisica quantistica, " afferma il biologo molecolare iCeMS Fuyuhiko Tamanoi, che ha condotto lo studio. "La nostra ricerca fornisce prove che suggeriscono che è possibile riprodurre questo effetto all'interno delle cellule tumorali".

Un problema di vecchia data con la radioterapia del cancro è che non è efficace al centro dei tumori, dove i livelli di ossigeno sono bassi a causa della mancanza di vasi sanguigni che penetrano in profondità. L'irradiazione a raggi X ha bisogno di ossigeno per generare ossigeno reattivo dannoso per il DNA quando i raggi colpiscono le molecole all'interno della cellula.

Tamanoi, insieme a Kotaro Matsumoto e colleghi hanno cercato di superare questo problema trovando modi più diretti per danneggiare il DNA del cancro. In lavori precedenti, hanno dimostrato che le nanoparticelle caricate di gadolinio potrebbero uccidere le cellule tumorali se irradiate con 50,25 kiloelettronvolt di raggi X generati dal sincrotrone.

Nello studio attuale, hanno progettato poroso, nanoparticelle di organosilice che trasportano iodio. Lo iodio è più economico del gadolinio e rilascia elettroni a livelli energetici inferiori.

I ricercatori hanno disperso le loro nanoparticelle attraverso sferoidi tumorali, Tessuto 3D contenente più cellule tumorali. Irradiare gli sferoidi per 30 minuti con 33,2 keV di raggi X ha portato alla loro completa distruzione entro tre giorni. Modificando sistematicamente i livelli di energia, sono stati in grado di dimostrare che l'effetto ottimale della distruzione del tumore si verifica con i raggi X a 33,2 keV.

Ulteriori analisi hanno mostrato che le nanoparticelle sono state assorbite dalle cellule tumorali, localizzare appena al di fuori dei loro nuclei. Far brillare la giusta quantità di energia dei raggi X sul tessuto ha indotto lo iodio a rilasciare elettroni, che poi ha causato rotture del doppio filamento nel DNA nucleare, innescando la morte cellulare.

"Il nostro studio rappresenta un importante esempio di impiego di un fenomeno di fisica quantistica all'interno di una cellula cancerosa, " dice Matsumoto. "Sembra che una nuvola di elettroni a bassa energia sia generata vicino al DNA, causando rotture del doppio filamento difficili da riparare, alla fine portando alla morte cellulare programmata."

Il team vuole poi capire come gli elettroni vengono rilasciati dagli atomi di iodio quando sono esposti ai raggi X. Stanno anche lavorando per posizionare lo iodio sul DNA piuttosto che vicino ad esso per aumentare l'efficacia, e per testare le nanoparticelle su modelli murini di cancro.