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对付棘手的癌细胞,科学家终于用上了量子力学的力量

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学术经纬 2021-07-20 13:11

▎药明康德内容团队编辑

1905年,26岁的爱因斯坦发表了一篇论文,为后来的量子物理学奠定基础。在那篇论文中,他解释了物理学中的一个神奇现象:光电效应(photoelectric effect)。物理学家发现,光束照射在金属上时,会使金属原子发射出电子。

最近,京都大学细胞材料综合研究所(iCeMS)的生物学家玉野井冬彦 (Fuyuhiko Tamanoi)教授与其同事在研究癌症时,设法在癌细胞内重现了光电效应。

利用这种现象,研究团队找到了一种有效杀死癌细胞的新方法。研究结果近日发表在学术期刊Scientific Reports上。

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具体来看,研究人员设计了一种含有碘原子的多孔纳米颗粒,然后把这种纳米颗粒引入肿瘤组织。接着,研究人员用X射线照射肿瘤,进行放射治疗。

研究人员解释说,在传统的放射疗法中,长期以来遇到的一个难题是,X射线很难破坏肿瘤中心的癌细胞。这是因为X射线在有氧条件下才能产生切断DNA的活性氧,而肿瘤深处缺少血管,氧含量低。

而新型纳米颗粒中的碘会出现光电效应,从而增强放疗的效果。在被一定能量的X射线照射后,碘元素释放电子,这些电子产生于癌细胞的DNA附近,因此可以直接导致DNA双链断裂,最终导致癌细胞死亡。

X射线照射肿瘤组织时,新型纳米颗粒中的碘释放出电子,破坏癌细胞的DNA(图片来源:参考资料[2];Credit:Mindy Takamiya/Kyoto University iCeMS)

研究人员在实验室中培养了由癌细胞组成的球状组织,然后把纳米颗粒加入到肿瘤球体中。经过调试X射线的能量,他们发现,用33.2keV的X射线可以达到最佳效果:照射肿瘤球体30分钟后,触发癌细胞在3天内死亡

这篇研究论文的共同第一作者松本光太郎(Kotaro Matsumoto)博士说:“我们的工作提供了一个重要的例子,表明如何把量子物理学现象在癌细胞中进行运用。”

接下来,研究小组希望了解X射线是如何让碘原子释放电子的。他们还将尝试将碘元素放置到DNA分子上,以进一步提高疗效。后续他们将在小鼠癌症模型上测试这类新型纳米颗粒的效果。

参考资料

[1] Higashi, Y., Matsumoto, K., Saitoh, H.et al. Iodine containing porous organosilica nanoparticles trigger tumorspheroids destruction upon monochromatic X-ray irradiation: DNA breaks andK-edge energy X-ray. Sci Rep 11, 14192 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-93429-9

[2] Quantum physics helps destroy cancercells. Retrieved July 15, 2021 from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-07/ku-qph071221.php

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