Wie Goldnanopartikel dazu führen können, dass Tumore abgetötet werden einfacher

Nanopartikel (schwarze Punkte) sitzen in den Überresten einer Zelle, bei deren Abtötung sie geholfen haben.Enlarge / Nanopartikel (schwarze Punkte) sitzen in den Überresten einer Zelle Sie haben geholfen zu töten. Universität von Michigan

Eine Möglichkeit, Krebs abzutöten, besteht darin, ihn zu kochen, denn Hitze kann es Zellen abtöten. Der Trick ist natürlich, nur den Krebs zu kochen und nicht das umliegende Gewebe. Dazu benötigen Sie eine genaue Vorstellung von der Ausdehnung eines Tumors, ein präziser Mechanismus für Wärme liefern und ein verdammt gutes Das rmometer. Es kann dich überraschen zu lernen, dass Goldnanopartikel einen ziemlich guten Job machen die ersten zwei. Das dritte – ein gutes Das rmometer – ist den Zum schern entgangen für einige Zeit. Aber jetzt scheint es, dass Goldnanopartikel können Geben Sie die volle Trifecta.

Ertrinken eines Tumors in geschmolzenem Gold

Einige Krebsarten – die meisten Menschen stellen sich vor, wenn sie daran denken Krebs – bilden Gewebeklumpen. Irgendwann erfordern diese Klumpen a Blutversorgung. Einmal mit Blutgefäßen versorgt, kann der Tumor nicht wachsen nur, aber es hat ein leicht verfügbares Transportsystem zu Liefern Sie die Zellen, die den Krebs im ganzen Körper verbreiten können. Für den Patienten sind dies keine guten Nachrichten.

Der Aufbau einer Blutversorgung eröffnet neue bildgebende Verfahren und Behandlungsmöglichkeiten. Krebstumoren sind nicht gut organisiert Gewebe im Vergleich zu gesundem Gewebe wie Muskel- oder Nierengewebe. Damit Es gibt viele Ecken und Winkel in einem Tumor, die klein einklemmen können Teilchen. Und diese Desorganisation ist genau das, was Forscher hoffe zu nutzen. Goldnanopartikel werden in das injiziert Blutkreislauf; diese verlassen jedoch in den meisten Fällen die Blutversorgung Körper, werden sie schnell gereinigt. Abgesehen davon, dass in Tumoren die Überall lagern sich Nanopartikel ab.

Diese Tendenz der Tumoren, die Goldnanopartikel zu sammeln Das Ergebnis ist ein schöner Marker, mit dem der Krebs dargestellt werden kann. ForBeispielsweise leuchten Goldnanopartikel sehr hell, wenn Sie leuchten Licht auf ihnen (normalerweise rotes Licht). Dieses Leuchten kann sogar abgebildet werden wenn der Tumor ziemlich tief im Körper ist. Alternativ Gold Nanopartikel können an ein Kontrastmittel gebunden werden, das zum Zeigen bestimmt ist in einem MRT-Scanner. Sogar Röntgenbilder können verwendet werden.

Und die Nanopartikel können auch dazu beitragen, Krebserkrankungen abzutöten. Wenn Sie glänzen Licht auf dem Goldnanopartikel, es leuchtet nicht nur hell, es heizt auch auf. Sie können also grundsätzlich Laserlicht durchstrahlen die Haut und lokal erhitzen den Krebs bis zu dem Punkt, an dem der Tumor Zellen werden getötet.

Das Problem ist, die Behandlung richtig einzuschätzen: Wenn Sie sich ebenfalls bewerben Bei starker Hitze wird das umliegende Gewebe geschädigt. wenn Sie sich nicht bewerben Bei ausreichender Wärme wird der Tumor nicht geschädigt. Den Sweet Spot treffen zwischen den beiden müssten Sie konsequent messen können die Temperatur der Nanopartikel. Das würde eine Art ermöglichen geführte Behandlung.

Die Hitze sehen

Die Art und Weise, wie ein Nanopartikel leuchtet, kann auch Informationen über enthalten die Temperatur. Es ist also nur eine Frage der Perfektionierung der Behandlung diese Informationen zu extrahieren. Also lasst uns unordentlich werden und uns das ansehen Einzelheiten.

Wenn Laserlicht auf ein Metall trifft, treten die Elektronen auf, die frei sind bewege dich, jage das elektrische Feld des Lichts. Also, wie das Licht elektrisches Feld ändert Amplitude und Richtung, fühlen sich die Elektronen die Kraft des Feldes und werden hin und her getrieben.

In einem Nanopartikel haben die Elektronen nicht viel Raum, um sich zu bewegen um. Während das Licht die Elektronen antreibt, können die Elektronen schwappen nur von einem Ende des Nanopartikels zum anderen. Das ist sehr wie Wasser in einem Topf. Schütteln Sie den Topf mit der richtigen Frequenz und die Wasserwellen werden sich aufbauen, bis Sie mit nassen Füßen enden. Dies liegt daran, dass der Topf bei der Resonanzfrequenz des geschüttelt wurde Wellen, die darin herumschwirren. Gleiches gilt für Gold Nanopartikel: Bringen Sie das Partikel mit der richtigen Farbe zum Leuchten Elektronen werden mit einer Resonanz getrieben, die als Oberflächenplasmon bezeichnet wird Resonanz.

Die Stärke dieser Schwingungen macht Gold aus Nanopartikel leuchten so hell: Sie halten eine große Anzahl von Elektronen beschleunigen sich hin und her und strahlen Energie als Photonen aus. Die Nanopartikel leuchten nicht ausschließlich in der gleichen Farbe wie die Laserlicht haben wir darauf geleuchtet. Eine große Menge des Lichts hat eine rötliche Farbe und eine kleine Menge hat eine bläulichere Farbe.

Der Schlüssel für diese neue Arbeit ist, dass diese Farben sich verschieben temperaturabhängig.

Die Elektronen sind ein bisschen wie ein Gas, das durch den Strom fließt Gitterstruktur der Goldkerne, die einem 3D-Gitter ähnelt. Das Die Geschwindigkeit, mit der sie sich bewegen, ist durch die Temperatur gegeben. In anderen Mit anderen Worten, die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche Energie der Elektronen.

Gute Stimmung

Die Elektronen sind keine vorsichtigen Fahrer, die vorsichtig navigieren zwischen den Goldkernen. Stattdessen rennen sie wie der Ball auf ein Flipper-Tisch, der jede Femtosekunde oder so in die Kerne kracht. Wann Wenn sie dies tun, können sie Energie verlieren, indem sie die Goldkerne in Schwingung versetzen (was bewirkt, dass seine Nachbarn vibrieren, als die resultierende Schallwelle fährt vom Kollisionsort weg). Das Elektron kann Sie können auch Energie gewinnen, wenn sie auf einen bereits vibrierenden Kern trifft. TheSchwingungen der Goldkerne repräsentieren die in der. gespeicherte Energie Kerngitter, und es gibt immer einige Schwingungen vorhanden.

Dies bedeutet, dass es zwei relevante Temperaturen gibt: die Temperatur der Elektronen und die Temperatur des Gitters von Goldkerne. Unter normalen Umständen wird Energie zurück übertragen und her sehr schnell zwischen den beiden, so sind die beiden Temperaturen fast immer das gleiche.

Wenn wir den Laser einschalten, ist diese vorsichtige Balance heftig verärgert, wenn die Elektronen durch das Licht beschleunigt werden. Wenn wir könnten Wenn wir ihre Temperatur messen, erhalten wir eine sehr hohe Zahl. Bei der Gleichzeitig kollidieren die Elektronen immer noch mit Kernen. Als ein Dadurch beginnt sich auch das Gitter zu erwärmen. Die meiste Energie zum Schütteln der Goldkerne über die Enden gebracht Außenwelt – der Tumor in diesem Fall. Daran kann man sich gewöhnen töte es.

Inzwischen emittieren die Elektronen Licht. Weil die meisten Elektronen verlieren Energie an das Gitter, das Leuchten der Nanopartikel werden von Farben dominiert, die rötlicher sind als die beleuchtendes Licht. Aber der Prozess geht in beide Richtungen. Elektronen, die Energie aus einer Gitterschwingung absorbieren wird Licht emittieren, das heißt blauer als das ursprüngliche Laserlicht. Dieser Prozess ist viel seltener, weil das Gitter ziemlich kalt ist. Allerdings erwärmt sich dabei das Gitter nach oben wächst die Intensität des blauen Lichts. Also, durch Messen der Verhältnis von blauem zu rotem Licht erhalten Sie ein genaues Maß für die Temperatur.

Wärme messen

Dies ist tatsächlich eine übliche Technik in der Verbrennungsphysik ermöglicht Forschern die Fernmessung der Temperatur von Gasen in Brennkammern (sie messen normalerweise Stickstoff). Aber bewerben Für Nanopartikel ist dies ein völlig anderer Ansatz. Das Problem ist, dass die Resonanz, die das emittierte Licht so viel heller macht funktioniert nur bei einigen farben Wenn das die Farben sind, bist du Messen, um die Temperaturen zu verfolgen, dann wirft dies alles aus. Zum Beispiel könnten die rötlicheren Farben stärker sein verbessert als die blauen Farben, in diesem Fall würden Sie a berechnen viel niedrigere Temperatur als tatsächlich der Fall ist.

Hier kommen gute Chemie und Berechnungen ins Spiel. Wenn Gold Nanopartikel synthetisiert werden, ist es möglich, ihre Form abzustimmen und Größe, so dass die überwiegende Mehrheit der Partikel ähnlich ist Maße. In diesem Fall ist es möglich zu berechnen, wie jeder Die Farbe wird durch die Resonanz verstärkt. Sobald Sie die Resonanz nehmen erweiterung in rechnung, du hast ein modell mit genau einem gratis Parameter (die Gittertemperatur). Passen Sie die Daten an Ihr Modell an, und du hast die temperatur.

Wenn Sie wissen, wie das Nanopartikel reagiert, können Sie auch Verwenden Sie dies, um die Genauigkeit der Temperaturmessung zu erhöhen. Sie sehen, das blaue Licht ist oft irgendwo zwischen 100 und 10.000 mal schwächer als das rote licht (da gitter schwingungen sind selten wenn das Gitter kalt ist). Aber wenn die Laserbeleuchtung Wellenlänge und Nanopartikelform wird so gewählt, dass das blaue Licht Ist das Verhältnis von Blau zu Rot dann stark erhöht im Vergleich zu rotes Licht nähert sich einem. Dies bedeutet, dass der Zeitaufwand für das Sammeln Licht für eine Messung ist viel kürzer und genauer Temperaturen erhalten werden.

Die ganze Idee ist ziemlich cool.

Das Tageslicht ist nicht zu sehen

Das heißt, ich denke, dies wird sehr schwierig zu verwenden sein therapeutische Anwendungen. Zunächst einmal, auch wenn die Nanopartikel verstärken den blaueren Teil des Lichtspektrums, der dazwischen liegt Gewebe wird es ziemlich stark streuen. Also, am Ende kann es Es bleibt nicht genug blaues Licht übrig, um überhaupt ein genaues Maß zu erhalten Entfernung vom Tumor. Und es wird mehr Aufwand erfordern Berechnung, um herauszufinden, wie diese Streuung die gemessenes Verhältnis.

Das größere Problem ist die Verbindung zwischen Temperatur und Oberflächenplasmonresonanz. Wie gesagt, diese Resonanz hängt ab von die Form des Partikels. Während der Experimente haben die Forscher kontinuierlich überprüft, dass sich die Form nicht geändert hat. Warum sollten sie? TU das? Denn die Wärme, die sie erzeugen, erregt dabei die Nanopartikel schmelzen es, und wenn Sie das tun, das Nanopartikel Form wird sich ändern. Im Körper gibt es keine Möglichkeit zu überprüfen, dass die Form hat sich nicht geändert.

Bei therapeutischen Behandlungen werden üblicherweise kugelförmige Partikel verwendet. In diesem Fall ändert sich die Form beim Erhitzen nicht. TheUntersuchungen wurden jedoch an stäbchenförmigen Partikeln durchgeführt, weil Sie ermöglichen es Ihnen, die Frequenz der Resonanz abzustimmen und zu verbessern das blaue Licht. Es gibt keine Möglichkeit für die Abstimmung sphärischer Nanopartikel, die Sie auf den Mangel an blauem Licht zurückführen. Dies scheint wie ein Catch-22.

Das ist also eine coole Idee, von der ich hoffe, dass sie weiter geht als die Labor. Aber es wird ein paar Jahre dauern, bis die Probleme behoben sind.

Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021 / acs.nanolett.7b04145

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