Wetenschappers gebruiken de ‘goede trillingen’ van moleculaire boorhamers om kankercellen uit te roeien

By | February 5, 2024

Wetenschappers van Rice University hebben een revolutionaire manier ontdekt om kankercellen te vernietigen met behulp van moleculaire trillingen. Door kleine kleurstofmoleculen te stimuleren met nabij-infraroodlicht, zorgen ze ervoor dat de membranen van kankercellen scheuren, met een succespercentage van 99 procent in laboratoriumculturen. Deze techniek, die ‘moleculaire boorhamers’ wordt genoemd, biedt een nieuwe, snellere benadering van de behandeling van kanker die aanzienlijk verschilt van bestaande methoden. Het onderzoek, dat multi-institutionele samenwerking omvat, betekent een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van kankertherapie.

Trillingen van hele moleculen veroorzaakt door licht kunnen het membraan van melanoomcellen vernietigen.

De iconische hitsingle ‘Good Vibrations’ van de Beach Boys krijgt een geheel nieuw betekenisniveau dankzij een recente ontdekking door wetenschappers en medewerkers van Rice University. Ze hebben een manier ontdekt om kankercellen te vernietigen door gebruik te maken van het vermogen van sommige moleculen om sterk te trillen wanneer ze door licht worden gestimuleerd.

De onderzoekers ontdekten dat de atomen van een klein kleurstofmolecuul dat wordt gebruikt in medische beeldvorming samen kunnen trillen en een zogenaamd plasmon kunnen vormen wanneer ze worden gestimuleerd door nabij-infraroodlicht, waardoor het celmembraan van kankercellen scheurt. Volgens de studie gepubliceerd in Natuurlijke chemiede methode had een effectiviteit van 99 procent tegen laboratoriumculturen van menselijke melanoomcellen, en de helft van de muizen met melanoomtumoren werd na behandeling kankervrij.

Ciceron Ayala Orozco

Ciceron Ayala-Orozco is onderzoeksmedewerker in het Tour Laboratory van Rice University en hoofdauteur van het onderzoek. Fotocredit: Jeff Fitlow/Rice University

Moleculaire Jackhammers: een nieuwe benadering van kankertherapie

“Het is een hele nieuwe generatie moleculaire machines die we moleculaire boorhamers noemen”, zegt Rice-chemicus James Tour, wiens laboratorium ze eerder gebruikte. Schematische weergave van een moleculaire drilboor

De structuur van een aminocyaninemolecuul (een moleculaire drilboor), gesuperponeerd met de TD-DFT-theorie op het berekende moleculaire plasmon, met het karakteristieke symmetrische lichaam en de lange “zijarm”. Fotocredit: afbeelding met dank aan Ciceron Ayala-Orozco/Rice University

In tegenstelling tot de boren op nanoschaal, die zijn gebaseerd op de moleculaire motoren van Nobelprijswinnaar Bernard Feringa, gebruiken moleculaire boorhamers een heel ander ⎯ en ongekend ⎯ werkingsmechanisme.

“Hun mechanische beweging is meer dan een miljoen keer sneller dan eerdere motoren van het Feringa-type en ze kunnen worden geactiveerd met nabij-infraroodlicht in plaats van zichtbaar licht”, aldus Tour.

Nabij-infraroodlicht kan veel dieper in het lichaam doordringen dan zichtbaar licht en organen of botten bereiken zonder weefsel te beschadigen.

“Nabij-infraroodlicht kan tot 10 centimeter (~4 inch) diep in het menselijk lichaam doordringen, in tegenstelling tot slechts een halve centimeter (~0,2 inch), de penetratiediepte voor zichtbaar licht die we gebruikten om de nanodrills te activeren. zei Tour, Rice’s TT en WF Chao hoogleraar scheikunde en hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering. “Het is een enorme stap voorwaarts.”

Vooruitgang in moleculaire technologie en kankerbehandeling

De boorhamers zijn aminocyaninemoleculen, een klasse fluorescerende synthetische kleurstoffen die worden gebruikt in medische beeldvorming.

“Deze moleculen zijn eenvoudige kleurstoffen die mensen al heel lang gebruiken”, zegt Ciceron Ayala-Orozco, rijstonderzoeker en hoofdauteur van het onderzoek. “Ze zijn biocompatibel, waterstabiel en kunnen zich heel goed hechten aan de vettige buitenlaag van de cellen. Maar ook al werden ze gebruikt voor beeldvorming, wisten mensen niet hoe ze ze als plasmonen moesten activeren.”

Moleculaire drilboorkanker

(a) Een moleculaire drilboor (blauw) hecht zich aan de lipide dubbellaagse bekleding van een kankercel. Wanneer het wordt gestimuleerd met nabij-infraroodlicht, trilt het sterk, waardoor het celmembraan scheurt. (b) DAPI dringt door en kleurt de kern van door membraan verstoorde A375-melanoomcellen, gevisualiseerd door confocale fluorescentiemicroscopie. Schaalbalk = 25 µm. (Afbeelding met dank aan Ciceron Ayala-Orozco/Rice University

Ayala-Orozco bestudeerde voor het eerst plasmonen als afgestudeerde student in de onderzoeksgroep van Rice’s Naomi Halas.

“Vanwege hun structuur en chemische eigenschappen kunnen de kernen van deze moleculen synchroon trillen wanneer ze worden blootgesteld aan de juiste stimulus,” zei Ayala-Orozco. “Ik zag de noodzaak in om de eigenschappen van plasmonen te gebruiken als een vorm van behandeling en raakte geïnteresseerd in Dr. Tour’s mechanische benadering van het omgaan met kankercellen. Ik heb eigenlijk de punten met elkaar verbonden.

“De moleculaire plasmonen die we hebben geïdentificeerd hebben een bijna symmetrische structuur met een arm aan één kant. De arm draagt ​​niet bij aan de plasmonische beweging, maar helpt wel het molecuul te verankeren aan de lipidedubbellaag van het celmembraan.”

De onderzoekers moesten bewijzen dat de werking van de moleculen niet kan worden toegeschreven aan fotodynamische of fotothermische therapie.

Ayala Orozco maakt gebruik van een confocale microscoop

Ayala-Orozco maakt gebruik van een confocale microscoop. Fotocredit: Jeff Fitlow/Rice University

“Wat belangrijk is om te benadrukken is dat we een andere verklaring hebben gevonden voor hoe deze moleculen kunnen werken”, zegt Ayala-Orozco. “Dit is de eerste keer dat een moleculair plasmon op deze manier is gebruikt om het hele molecuul te prikkelen en daadwerkelijk een mechanische actie teweeg te brengen die is ontworpen om een ​​specifiek doel te bereiken – in dit geval het scheuren van het membraan van kankercellen.”

“Deze studie gaat over een andere manier om kanker te behandelen met behulp van mechanische krachten op moleculair niveau.”

Onderzoekers van Texas A&M University onder leiding van Jorge Seminario, een kwantumchemicus en hoogleraar chemische technologie, voerden een tijdsafhankelijke dichtheidsfunctionaaltheorieanalyse uit van de moleculaire kenmerken die betrokken zijn bij het jackhammer-effect. De kankerstudies werden uitgevoerd bij muizen aan het MD Anderson Cancer Center van de Universiteit van Texas, in samenwerking met Dr. Jeffrey Myers, professor en voorzitter van de afdeling Hoofd- en Halschirurgie en directeur translationeel onderzoek bij de afdeling Chirurgie.

Referentie: “Moleculaire Jackhammers elimineren kankercellen door vibronisch aangedreven actie” door Ciceron Ayala-Orozco, Diego Galvez-Aranda, Arnoldo Corona, Jorge M. Seminario, Roberto Rangel, Jeffrey N. Myers en James M. Tour, 19 december 2023 , Natuurlijke chemie.
DOI: 10.1038/s41557-023-01383-y

Nanorobotics, Ltd., het Discovery Institute en de Welch Foundation (C-2017-20190330) steunden het onderzoek.