Wissenschaftler erstellen photolumineszierende Nanopartikel, um Krebszellen hervorzuheben

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Eine Gruppe russischer und französischer Forscher unter Beteiligung von Wissenschaftlern der Moskauer Lomonossow-Universität hat Nanopartikel aus hochreinem Silizium synthetisiert, die eine effiziente Photolumineszenz, sekundäre Lichtemission nach Photoanregung, aufweisen. Diese Partikel dringen leicht in Krebszellen ein, um als Lumineszenzmarker bei der frühen Diagnose und Behandlung von Krebs verwendet zu werden. Die Studie wurde in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.

Laut Ko-Autor Victor Timoshenko waren frühere Versuche in anderen Labors nicht erfolgreich, hauptsächlich weil die Nanopartikel durch chemische Reaktionen in sauren Lösungen synthetisiert wurden. "Die erhaltenen Partikel waren nicht ausreichend rein", sagt er. "Nebenprodukte der chemischen Reaktionen machten sie giftig. Darüber hinaus hatten diese Nanopartikel eine Form, die weit entfernt von einer Kugel war, und sie trägt nicht zum Auftreten der Photolumineszenz bei. Diese beiden Nachteile haben ihre Anwendungen stark eingeschränkt."

Um diese Defizite zu beheben, verwendeten die Forscher eine andere Methode, die so genannte Laserablation, bei der Atome mit einem Laserstrahl aus dem Target ausgestoßen werden, sodass die gerissenen Atome einen Nanokristall bilden. Das Problem war, dass die Atome, die in diesem Fall zerrissen wurden, sich oft nicht mit Partikeln vereinten, sondern mit einigen willkürlichen Schichten, und selbst wenn die Nanopartikel erhalten wurden, waren sie nicht photolumineszent. Entweder waren die Nanopartikel zu groß, oder sie kühlten zu schnell ab und hatten keine Zeit, hochwertige Nanokristalle zu bilden. Daher war es notwendig, sie für eine kurze Zeit zu erwärmen, um die Kristallisation zu fördern.

"Zu diesem Zweck haben wir uns für kurze, hochintensive Laserpulse entschieden", sagt Professor Timoschenko. "Sie haben die Siliziumatome nicht nur aus dem Target ausgeworfen, sondern zusätzlich ionisiert. Die emittierten Elektronen führten zur Ionisierung von Heliumatomen in der Atmosphäre, in der sie vorkamen. Innerhalb von Nanosekunden bildete das Laserplasma die Bedingungen für das Sintern der Atome in sphärische Nanokristalle. Diese Perlen, die auf die Oberfläche fielen, aggregierten als eine flockige Schicht, die anschließend in Wasser dispergiert werden konnte.

Diese kugelförmigen Nanopartikel hatten genau die richtige Größe, zwei bis vier Nanometer im Durchmesser, was für eine effiziente Photolumineszenz sorgte, bei der jedes fallende Photon mit einem ausgeworfenen Photon im Gleichgewicht war. Im Gegensatz zu Nanopartikeln, die durch chemisches Ätzen erhalten wurden, waren keine toxischen Zusätze erforderlich. Und vor allem konnten sie, wie biologische Experimente zeigen, leicht in die Zellen eindringen. Außerdem dringen die Nanosphären viel leichter in Krebszellen ein als gesunde. Dies liegt daran, dass Krebszellen immer bereit sind sich zu teilen und somit alles absorbieren, um Tochterzellen zu produzieren. Laut Victor Timoshenko absorbieren Krebszellen Nanopartikel typischerweise in Abhängigkeit vom Zelltyp um 20 bis 30 Prozent effizienter als gesunde, was eine Grundlage für die Diagnose von Krebs im Frühstadium darstellt.

"Unsere wichtigste Errungenschaft war, die Nanopartikel herzustellen und festzustellen, dass sie leicht in Krebszellen eindringen", sagte Victor Timoschenko. "Das Problem der Diagnose ist eine separate Aufgabe, die von Biologen gleichzeitig mit unserer Beteiligung gelöst wurde. Sie können beispielsweise die Analyse der Biopsie ersetzen, einen eher langen und unzuverlässigen" Ja-Nein "-Test, statt dessen festzustellen, ob oder kein Nanopartikel durchdringt eine Gewebeprobe.Es gibt auch nicht-invasive diagnostische Verfahren.Das photolumineszierende Licht, das von den Nanopartikeln emittiert wird, ist in diesem Fall schwierig zu verwenden, aber sie können durch andere Mittel aktiviertwerden, zum Beispiel Ultraschall oder hochfrequente elektromagnetische Wellen. "

Der Hauptvorteil der Nanopartikel besteht darin, dass sie völlig ungiftig und leicht ausscheidbar sind. Sie können auch an bestimmte Substanzen oder Biomoleküle (z. B. Antikörper) binden, so dass Ärzte sie gezielt in Krebszellen einbringen und so die Diagnoseeffizienz erhöhen können. Laut Victor Timoshenko könnten diese Nanopartikel in Zukunft auch an Medikamente binden, die nicht nur Krebs erkennen, sondern auch eine lokale Chemotherapie oder Strahlentherapie auf zellulärer Ebene durchführen.

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