Una recente ricerca permetterà di sfruttare al meglio le potenzialità della radioterapia per sconfiggere il cancro. La morte delle cellule cancerose viene innescata entro tre giorni dal momento in cui i raggi X vengono proiettati sul tessuto tumorale contenente nanoparticelle che trasportano iodio. Lo iodio rilascia elettroni che rompono il DNA del tumore, portando alla morte cellulare. I risultati, ottenuti dagli scienziati dell’Istituto per le scienze integrate dei materiali cellulari (iCeMS) dell’Università di Kyoto e di colleghi in Giappone e negli Stati Uniti, sono stati pubblicati sulla rivista Scientific Reports.
“Esporre un metallo alla luce porta al rilascio di elettroni, un fenomeno chiamato effetto fotoelettrico. Una spiegazione di questo fenomeno da parte di Albert Einstein nel 1905 ha sancito la nascita della fisica quantistica“, afferma il biologo molecolare iCeMS Fuyuhiko Tamanoi, che ha guidato lo studio. “La nostra ricerca fornisce prove che suggeriscono che è possibile riprodurre questo effetto all’interno delle cellule tumorali“.
Un problema atavico con la radioterapia del cancro è che non è efficace al centro dei tumori dove i livelli di ossigeno sono bassi a causa della mancanza di vasi sanguigni che penetrano in profondità nel tessuto. L’irradiazione a raggi X ha bisogno di ossigeno per generare ossigeno reattivo dannoso per il DNA, quando i raggi colpiscono le molecole all’interno della cellula. Tamanoi, insieme a Kotaro Matsumoto e ad altri colleghi, ha cercato di superare questo problema trovando modi più diretti per danneggiare il DNA del cancro. In lavori precedenti, era stato dimostrato che le nanoparticelle caricate di gadolinio potrebbero uccidere le cellule tumorali se irradiate con 50,25 kiloelettronvolt di raggi X generati dal sincrotrone.
Nell’attuale studio sono state progettate nanoparticelle di organosilice porose e contenenti iodio. Lo iodio è più economico del gadolinio e rilascia elettroni a livelli energetici inferiori. I ricercatori hanno disperso le loro nanoparticelle attraverso sferoidi tumorali, tessuti 3D contenenti più cellule cancerose. Irradiare gli sferoidi per 30 minuti con 33,2 keV di raggi X ha portato alla loro completa distruzione entro tre giorni. Modificando sistematicamente i livelli di energia, sono stati in grado di dimostrare che l’effetto ottimale della distruzione del tumore si verifica con i raggi X a 33,2 keV.
Ulteriori analisi hanno mostrato che le nanoparticelle sono state captate dalle cellule tumorali, localizzandosi appena al di fuori dei loro nuclei. Far brillare la giusta quantità di energia a raggi X sul tessuto ha indotto lo iodio a rilasciare elettroni, che poi hanno causato rotture del doppio filamento nel DNA nucleare, innescando la morte cellulare.
“Il nostro studio rappresenta un importante esempio di impiego di un fenomeno della fisica quantistica all’interno di una cellula cancerosa“, afferma Matsumoto. “Sembra che una nuvola di elettroni a bassa energia venga generata vicino al DNA, causando rotture del doppio filamento difficili da riparare, portando infine alla morte cellulare programmata”. Il team vuole ora capire come gli elettroni vengono rilasciati dagli atomi di iodio quando sono esposti ai raggi X. Stanno anche lavorando per posizionare lo iodio sul DNA piuttosto che vicino ad esso per aumentare l’efficacia e per testare le nanoparticelle su modelli murini di cancro.
I principali studiosi che hanno contribuito a questo lavoro sono Yuya Higashi (iCeMS), Hiroyuki Saitoh (QST) e Toshiki Tajima (UC Irvine, Dipartimento di Fisica e Astronomia) oltre a Tamanoi e Matsumoto.
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