Partículas de ouro do tamanho de bilionésimos de metro são letais para células cancerígenas. Esse fato é conhecido há muito tempo, assim como uma correlação simples: quanto menores as nanopartículas usadas para combater as células cancerígenas, mais rápido elas morrem. No entanto, um quadro mais interessante e complexo dessas interações está surgindo da pesquisa mais recente, conduzida no Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências, usando uma nova técnica microscópica.

Menor mata mais rápido — era o que se pensava anteriormente sobre nanopartículas de ouro usadas para combater células cancerígenas. Cientistas pensavam que pequenas nanopartículas simplesmente teriam mais facilidade para penetrar no interior de uma célula cancerígena, onde sua presença levaria a distúrbios metabólicos e, finalmente, à morte celular.

A realidade, no entanto, acaba sendo mais complexa, como demonstram pesquisas realizadas por cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN), em Cracóvia, apoiadas por análises teóricas realizadas na Universidade de Rzeszow (UR) e na Universidade de Tecnologia de Rzeszow.

"Nosso instituto opera um centro médico e acelerador de última geração para radioterapia de prótons. Então, quando surgiram relatórios, há alguns anos, de que nanopartículas de ouro poderiam ser bons radiossensibilizadores e aumentar a eficácia desse tipo de terapia, começamos a sintetizá-los nós mesmos e testamos sua interação com células cancerígenas, descobrimos rapidamente que a toxicidade das nanopartículas nem sempre era a esperada", diz a Dra. Joanna Depciuch-Czarny (IFJ PAN), iniciadora da pesquisa e primeira autora de um artigo que discute os resultados. , publicado na revista Small.

As nanopartículas podem ser produzidas usando uma variedade de métodos, produzindo partículas de diferentes tamanhos e formas. Pouco depois de iniciarem as suas próprias experiências com nanopartículas de ouro, os físicos do IFJ PAN notaram que a biologia não segue a regra popular de que a sua toxicidade é maior quanto menores forem.

Nanopartículas esféricas de 10 nanômetros de tamanho, produzidas em Cracóvia, mostraram-se praticamente inofensivas à linhagem de células de glioma estudada. No entanto, alta mortalidade foi observada em células expostas a nanopartículas de até 200 nanômetros, mas com estrutura em forma de estrela.

A elucidação da contradição declarada tornou-se possível graças à utilização do primeiro microscópio holotomográfico na Polónia, no IFJ PAN.

Um típico scanner de TC escaneia o corpo humano usando raios X e reconstrói sua estrutura interna espacial seção por seção. Em biologia, uma função semelhante foi recentemente realizada pelo microscópio holotomográfico. Aqui, as células também são varridas por um feixe de radiação, embora não radiação de alta energia, mas radiação eletromagnética. Sua energia é escolhida para que os fótons não perturbem o metabolismo celular.

O resultado da varredura é um conjunto de seções transversais holográficas contendo informações sobre a distribuição de mudanças no índice de refração. Como a luz refrata diferentemente no citoplasma e diferentemente na membrana celular ou núcleo, é possível reconstruir uma imagem tridimensional tanto da célula em si quanto de seu interior.

"Ao contrário de outras técnicas de microscopia de alta resolução, a holotomografia não requer a preparação de amostras ou a introdução de quaisquer substâncias estranhas nas células. As interações das nanopartículas de ouro com as células cancerígenas puderam, portanto, ser observadas diretamente na incubadora, onde estas últimas foram cultivadas, em um ambiente sem perturbações -- o que é mais, com resolução nanométrica -- de todos os lados simultaneamente e praticamente em tempo real", enumera a Dra. Depciuch-Czarny.

As características únicas da holotomografia permitiram aos físicos determinar as causas do comportamento inesperado das células cancerígenas na presença de nanopartículas de ouro. Uma série de experimentos foi conduzida em três linhagens celulares: duas de glioma e uma de cólon. Entre outros, observou-se que embora as pequenas nanopartículas esféricas penetrassem facilmente nas células cancerígenas, as células regeneraram-se e até começaram a dividir-se novamente, apesar do stress inicial.

No caso das células de câncer de cólon, as nanopartículas de ouro foram rapidamente empurradas para fora delas. A situação era diferente para as grandes nanopartículas em forma de estrela. Suas pontas afiadas perfuravam as membranas celulares, provavelmente resultando em aumento do estresse oxidativo dentro das células. Quando essas células não conseguiam mais lidar com o reparo do dano crescente, o mecanismo de apoptose, ou morte programada, era acionado.

"Usamos os dados dos experimentos de Cracóvia para construir um modelo teórico do processo de deposição de nanopartículas dentro das células em estudo. O resultado final é uma equação diferencial na qual parâmetros adequadamente processados ??podem ser substituídos - por enquanto apenas descrevendo a forma e tamanho das nanopartículas - para determinar rapidamente como ocorrerá a absorção das partículas analisadas pelas células cancerígenas durante um determinado período de tempo", diz o Dr. Pawel Jakubczyk, professor da UR e coautor do modelo.

Ele enfatiza: “Qualquer cientista já pode usar nosso modelo na fase de projeto de sua própria pesquisa para reduzir instantaneamente o número de variantes de nanopartículas que requerem verificação experimental”.

A capacidade de reduzir facilmente o número de experimentos potenciais a serem realizados significa uma redução nos custos associados à compra de linhagens celulares e reagentes, bem como uma redução acentuada no tempo de pesquisa (normalmente leva cerca de duas semanas apenas para cultivar uma linhagem celular disponível comercialmente). Além disso, o modelo pode ser usado para projetar terapias mais bem direcionadas do que antes — aquelas nas quais as nanopartículas serão particularmente bem absorvidas por células cancerígenas selecionadas, enquanto mantêm toxicidade relativamente baixa ou mesmo zero para células saudáveis em outros órgãos do paciente.

O grupo de cientistas Cracow-Rzeszow já está se preparando para continuar sua pesquisa. Novos experimentos devem em breve tornar possível estender o modelo da interação de nanopartículas com células cancerígenas para incluir mais parâmetros, como a composição química das partículas ou outros tipos de tumores. Planos posteriores também incluem suplementar o modelo com elementos matemáticos para otimizar a eficácia da terapia de foto ou prótons para combinações indicadas de nanopartículas e tumores.