Nanopartículas de ouro matam o câncer – mas não como se pensava

Partículas de ouro do tamanho de bilionésimos de metro são letais para as células cancerígenas. Este facto é conhecido há muito tempo, tal como uma correlação simples: quanto mais pequenas forem as nanopartículas utilizadas para combater as células cancerígenas, mais rapidamente estas morrem. No entanto, uma imagem mais interessante e complexa destas interações está a emergir da investigação mais recente, realizada no Instituto de Física Nuclear da Academia Polaca de Ciências, utilizando uma nova técnica microscópica.

Menores matam mais rápido – isso é o que se pensava anteriormente sobre as nanopartículas de ouro usadas para combater células cancerígenas. Os cientistas pensavam que as pequenas nanopartículas simplesmente teriam mais facilidade para penetrar no interior de uma célula cancerígena, onde a sua presença levaria a distúrbios metabólicos e, em última análise, à morte celular.

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

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, produzidas em Cracóvia, revelaram-se praticamente inofensivas para a linhagem celular de glioma estudada. No entanto, alta mortalidade foi observada em células expostas a nanopartículas de até 200 nanômetros, mas com estrutura em formato 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 das mudanças do 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 cancerosas puderam, portanto, ser observadas diretamente na incubadora, onde estas foram cultivadas , em um ambiente imperturbado – além do mais, com resolução nanométrica – de todos os lados simultaneamente e praticamente em tempo real”, enumera o Dr. 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 cancerígenas do cólon, as nanopartículas de ouro foram rapidamente expulsas delas. A situação foi diferente para as grandes nanopartículas em forma de estrela. Suas pontas afiadas perfuraram as membranas celulares, provavelmente resultando no aumento do estresse oxidativo dentro das células. Quando essas células não conseguiam mais reparar os danos crescentes, o mecanismo de apoptose, ou morte programada, foi 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 co-autor 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 potenciais experiências a realizar significa uma redução nos custos associados à compra de linhas celulares e reagentes, bem como uma redução acentuada no tempo de investigação (normalmente demora cerca de duas semanas apenas para cultivar um linhagem celular comercialmente disponível). Além disso, o modelo pode ser usado para projetar terapias mais bem direcionadas do que antes – aquelas em que as nanopartículas serão particularmente bem absorvidas por células cancerígenas selecionadas, mantendo ao mesmo tempo uma toxicidade relativamente baixa ou até zero para células saudáveis ​​em outros órgãos do paciente.

O grupo de cientistas Cracóvia-Rzeszow já se prepara para continuar a sua investigação. Novas experiências deverão permitir em breve alargar o modelo de interacção das nanopartículas com as células cancerígenas para incluir outros parâmetros, como a composição química das partículas ou outros tipos de tumores. Os planos posteriores também incluem complementar o modelo com elementos matemáticos para otimizar a eficácia da fototerapia ou terapia de prótons para combinações indicadas de nanopartículas e tumores.