Nanotechnologia

Poszukiwanie skuteczniejszych, bezpieczniejszych i bardziej precyzyjnych metod leczenia nowotworów należy do najważniejszych wyzwań współczesnej medycyny. Jednym z obiecujących kierunków badań jest fototerapia wykorzystująca materiały aktywowane światłem z zakresu bliskiej podczerwieni. Rozwiązania tego typu mogą umożliwić selektywne niszczenie komórek nowotworowych przy jednoczesnym ograniczeniu uszkodzeń zdrowych tkanek.

Szczególne zainteresowanie naukowców budzą obecnie materiały reagujące na kołowo spolaryzowane światło bliskiej podczerwieni. Zespół kierowany przez prof. Xueyuana Chena opracował hybrydowy hydrożel zawierający kropki kwantowe CuInSe₂@ZnS. Wyniki badań wskazują, że połączenie właściwości chirooptycznych, fototermicznych i fotodynamicznych materiału może zwiększać skuteczność terapii przeciwnowotworowej.

Ograniczenia współczesnej fototerapii

Fototerapia wykorzystuje energię światła do wywołania efektu terapeutycznego w obrębie zmienionych chorobowo tkanek. W zależności od mechanizmu działania może prowadzić m.in. do lokalnego wzrostu temperatury lub powstawania reaktywnych form tlenu, które uszkadzają komórki nowotworowe.

Pomimo dużego potencjału metody te nadal mają istotne ograniczenia. Należą do nich niewystarczająca akumulacja materiału terapeutycznego w obrębie guza, jego zbyt krótki czas utrzymywania się w tkance oraz ograniczona penetracja promieniowania. Wyzwaniem pozostaje również opracowanie biomateriałów, które skutecznie wykorzystują zjawiska wynikające z chiralności molekularnej.

Chiralność oznacza, że dana struktura i jej lustrzane odbicie nie mogą zostać na siebie nałożone, podobnie jak lewa i prawa dłoń. Właściwość ta wpływa na sposób oddziaływania materiału ze światłem spolaryzowanym kołowo. Odpowiednie zaprojektowanie struktury chiralnej może zatem umożliwić bardziej efektywne pochłanianie określonego rodzaju promieniowania i zwiększyć skuteczność wywoływanego przez nie efektu terapeutycznego.

Hydrożel z kropkami kwantowymi

Grupa badawcza kierowana przez prof. Xueyuana Chena z Instytutu Badań nad Strukturą Materii w Fujian, należącego do Chińskiej Akademii Nauk, opracowała hybrydowy hydrożel zawierający kropki kwantowe CuInSe₂@ZnS. Materiał oznaczono jako QDs@L/D-Gel.

Kropki kwantowe zastosowane przez badaczy miały strukturę typu core–shell, czyli rdzeń–powłoka. Rdzeń tworzył selenek miedziowo-indowy CuInSe₂, natomiast otaczającą go powłokę — siarczek cynku ZnS. Tak skonstruowane nanocząstki zostały następnie połączone z prekursorami aminokwasowymi i włączone do supramolekularnej struktury hydrożelu.

Materiał otrzymano w procesie samoorganizacji. W zależności od zastosowanych jednostek aminokwasowych powstawały hydrożele L-Gel i D-Gel, charakteryzujące się przeciwną chiralnością.

Hydrożel zaprojektowano tak, aby reagował na kołowo spolaryzowane światło z zakresu bliskiej podczerwieni o długości fali 808 nm. Zakres NIR jest szczególnie interesujący z punktu widzenia zastosowań biomedycznych. Promieniowanie to może wnikać w tkanki głębiej niż światło widzialne.

Właściwości chirooptyczne materiału

Otrzymane hydrożele wykazywały wyraźną aktywność chirooptyczną w zakresie bliskiej podczerwieni. Wartość współczynnika anizotropii absorpcji g_abs osiągnęła 1,3 × 10⁻², natomiast współczynnika anizotropii luminescencji g_lum — 3,4 × 10⁻³.</p>

Współczynniki te opisują sposób oddziaływania substancji chiralnych ze światłem spolaryzowanym kołowo. Parametr g_abs odnosi się do różnicy w absorpcji światła lewo- i prawoskrętnie spolaryzowanego, natomiast g_lum określa różnicę w intensywności emitowanego światła o obu skrętnościach. Znak współczynnika wskazuje preferowaną skrętność światła, a jego wartość bezwzględna — siłę efektu chirooptycznego.

Do analizy supramolekularnej organizacji materiałów wykorzystano również spektroskopię dichroizmu kołowego. Krzywe uzyskane dla L-Gel i D-Gel wykazywały lustrzaną symetrię. Potwierdziło to, że oba hydrożele były zbudowane z jednostek o przeciwnej chiralności.

Wyniki te wskazują, że chiralność poszczególnych składników została skutecznie przeniesiona na wyższy poziom organizacji materiału. Jest to istotne z punktu widzenia projektowania układów reagujących selektywnie na kołowo spolaryzowane światło.

Połączenie efektu fototermicznego i fotodynamicznego

QDs@L/D-Gel charakteryzował się wydajnością konwersji fototermicznej wynoszącą 43%. Parametr ten określa zdolność materiału do przekształcania pochłoniętej energii świetlnej w ciepło.

W terapii fototermicznej miejscowy wzrost temperatury może prowadzić do uszkodzenia i obumierania komórek nowotworowych. Skuteczność procesu zależy m.in. od ilości promieniowania pochłanianego przez materiał oraz od efektywności jego przekształcania w energię cieplną.

Po naświetleniu kołowo spolaryzowanym światłem o długości fali 808 nm badany hydrożel wykazywał również zwiększoną zdolność do wytwarzania reaktywnych form tlenu. Cząsteczki te mogą uszkadzać struktury komórkowe, w tym błony, białka i kwasy nukleinowe, przyczyniając się do eliminacji komórek nowotworowych.

Połączenie konwersji fototermicznej z produkcją reaktywnych form tlenu pozwoliło uzyskać jednocześnie efekt fototermiczny i fotodynamiczny. Taka synergia może być skuteczniejsza niż wykorzystanie tylko jednego mechanizmu niszczenia komórek nowotworowych.

Wyniki badań przedklinicznych

Skuteczność materiału oceniono zarówno w badaniach in vitro, jak i in vivo. Jedną z istotnych właściwości hydrożelu była jego zdolność do długotrwałego utrzymywania się w obrębie tkanki nowotworowej. Obecność materiału w guzie stwierdzano przez ponad 72 godziny.

Dłuższa retencja może zwiększać miejscową dostępność materiału i ograniczać konieczność wielokrotnego podawania preparatu. Hydrożel wykazywał również dobrą biokompatybilność, co ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu materiałów przeznaczonych do zastosowań biomedycznych.

W badaniach przeprowadzonych na myszach połączenie QDs@L-Gel z kołowo spolaryzowanym światłem NIR umożliwiło uzyskanie wskaźnika zahamowania wzrostu guza na poziomie 83%. W trakcie eksperymentu nie zaobserwowano istotnych działań toksycznych.

Efekt terapeutyczny był wyraźniejszy niż w przypadku naświetlania tego samego materiału światłem liniowo spolaryzowanym emitowanym przez laser o długości fali 808 nm. Wynik ten wskazuje, że dopasowanie chiralności materiału do rodzaju polaryzacji światła może wpływać na skuteczność terapii.

Znaczenie badań

Opracowany materiał łączy kilka właściwości istotnych z punktu widzenia fototerapii nowotworów. Są to aktywność chirooptyczną w zakresie bliskiej podczerwieni, wysoką wydajność konwersji fototermicznej, zdolność do wytwarzania reaktywnych form tlenu oraz długotrwałą retencję w obrębie guza.

Badania pokazują również, że chiralność nie musi być wyłącznie cechą strukturalną biomateriału. Może stać się funkcjonalnym elementem jego projektowania, umożliwiającym kontrolowanie oddziaływania ze światłem o określonej polaryzacji.

Wyniki uzyskane przez zespół prof. Xueyuana Chena mają jednak charakter przedkliniczny. Zanim rozwiązanie będzie mogło zostać rozważone w kontekście zastosowań u ludzi, konieczne będzie przeprowadzenie dalszych badań. Powinny one obejmować m.in. ocenę długoterminowego bezpieczeństwa, biodystrybucji, metabolizmu i usuwania materiału z organizmu, a także jego skuteczności w różnych modelach nowotworowych.

Hybrydowe hydrożele zawierające kropki kwantowe CuInSe₂@ZnS stanowią obiecującą platformę do dalszego rozwoju fototerapii przeciwnowotworowej. Praca zespołu pokazuje, że połączenie nanomateriałów, supramolekularnych hydrożeli oraz kołowo spolaryzowanego światła może otworzyć nowe możliwości projektowania bardziej selektywnych i skutecznych terapii.

Opracowanie: Fundacja NANONET

Na podstawie publikacji naukowej:

Hang Gao, Yan Liu, Wei Lian, Ping Hu, Xiaoying Shang, Mingmao Chen, Xiaorong Song, Tianyong Guan, Xueyuan Chen, „Near-infrared circularly polarized light triggered phototherapy based on hybrid CuInSe₂ quantum dot hydrogels”, „Nano Today”, vol. 58, 2024, 102436, DOI: 10.1016/j.nantod.2024.102436.