Nad raka z mikrokapsulami, gadolinijem in UV-svetlobo

Mednarodna skupina raziskovalcev, med katerimi sta tudi prof. ddr. Aleš Iglič z ljubljanske fakultete za elektrotehniko in prof. dr. Veronika Kralj Iglič z zdravstvene fakultete, je odkrila novo metodo za hkratno diagnostiko in zdravljenje raka z uporabo mikrokroglic titanijevega dioksida (TiO2), dopiranih z gadolinijem, in ultravijolične svetlobe. Raziskava v strokovni javnosti že odmeva, saj bo morda občutno razširila možnosti zdravljenja v onkologiji.

Gadolinij, kemični element, ki ima v periodnem sistemu simbol Gd in atomsko število 64, je dobil ime po finskem kemiku in geologu Johanu Gadolinu, ki je konec 18. stoletja proučeval ta mineral. Dopiranje pa je postopek, ko se v polprevodnik vgradi majhna količina drugega elementa, dopanta. V farmacevtski obliki se ta element uporablja pri diagnostiki z magnetnoresonančnim slikanjem (MRI).

»Uporaba nanotehnologije v medicinske namene bi lahko povzročila revolucijo v diagnosticiranju in zdravljenju poškodb in bolezni. Nanoskopske lastnosti materialov namreč omogočajo njihove edinstvene fizikalno-kemijske lastnosti, kakršnih ni mogoče doseči na podlagi makroskopskih lastnosti materialov. Raziskave sicer kažejo, da je precej nanomaterialov toksičnih, zato jih je treba uporabljati s premislekom in previdno. Vendar pa so zaradi edinstvenih lastnosti, kot sta kemijska odpornost in fotoaktivnost, polprevodniški površinsko nanostrukturirani materiali TiO2 – to so površine ali delci iz titanijevega dioksida, ki imajo nanostrukturirano površino – še zlasti primerni za različne biomedicinske aplikacije,« pojasnjuje Aleš Iglič.

Sintetizirane mikrokroglice iz titanovega dioksida imajo veliko por, zato je njihova površina kljub majhnosti po učinku zelo velika in omogoča precej večji učinek kot enako veliki komercialno dostopni nanodelci TiO2.

Učinkovina v notranjosti mikrokroglic

Gadolinij, ki se sicer standardno uporablja pri slikanju z nuklearno magnetno resonanco (NMR), so namesto na površino vgradili v notranjost mikrokroglic iz titanijevega diosida s premerom okoli pol mikrometra. Proces poteka tako, da se po obsevanju celic s svetlobo UV-A z valovno dolžino blizu valovnih dolžin vidne vijolične svetlobe, ob sodelovanju mikrokroglic TiO2 v rakavih celicah tvorijo reaktivne kisikove spojine (ROS), ki so odločilne za njihovo uničenje.

»Sposobnost poroznih, z gadolinijem dopiranih mikrokroglic TiO2, da pri obsevanju tvorijo reaktivne kisikove spojine, smo ocenili s fotometrično metodo. Opravili smo tudi primerjavo s komercialnimi nanodelci TiO2, ki kažejo precej manjšo sposobnost tvorjenja ROS ob osvetlitvi z UV- svetlobo kot z gadolinijem dopirane mikrokroglice TiO2. Poleg tega z gadolinijem dopirana struktura TiO2 omogoča optimizacijo slikanja rakastega tkiva z jedrsko magnetno resonanco,« pojasnjuje prof. Iglič.

Vpliv gadolinija na nekatere lastnosti mikrokroglic TiO2 so avtorji predhodno teoretično ocenili z izračuni kvantnomehanske metode DFT, ki temelji na reševanju kvantnomehanske Schrödingerjeve enačbe brez časovne odvisnosti. Predhodne teoretične ocene vpliva dopiranja na fizikalne lastnosti mikrokroglic TiO2 so zmanjšale število potrebnih eksperimentov, kar po Igličevih besedah kaže na veliko uporabnost teoretične fizike na vseh področjih znanosti.

Med deseterico lani najbolj odmevnih raziskav

Raziskava prof. ddr. Aleša Igliča in sodelavcev se je uvrstila med deset najodmevnejših raziskovalnih projektov Univerze v Ljubljani v letu 2017. Znanstveni članek so lani objavili v ugledni reviji Small, letos pa je bil izpostavljen tudi v članku Lise Smith v reviji Advanced Science News o večnamenskih mikrokroglicah iz titanijevega dioksida za medicinsko slikanje in fotodinamično terapijo.

Delo je plod sodelovanja raziskovalcev z več članic ljubljanske univerze, in sicer zdravstvene, medicinske in biotehniške fakultete ter fakultete za elektrotehniko, in inštituta Jožefa Stefana. Sodelovali so tudi raziskovalci z univerz v Hannovru, Uppsali in Sankt Peterburgu. Predhodno je pri raziskavah sodeloval še inštitut za biologijo celice pri ljubljanski medicinski fakulteti. Prva avtorica članka dr. Roghayeh Imani iz Irana je bila najprej zaposlena kot mlada raziskovalka v laboratoriju za klinično biofiziko na ljubljanski zdravstveni fakulteti, potem pa kot podoktorska raziskovalka v laboratoriju za biofiziko na fakulteti za elektrotehniko. Pred kratkim je opravila drugo podoktorsko izpopolnjevanje na uppsalski univerzi. Objava je rezultat mednarodnega sodelovanja študentov in profesorjev ljubljanske univerze.