Kontrolowanie kwantowo-biologicznego tunelowania elektronów może pomóc pacjentom z rakiem mózgu – Physics World

Kontrolowanie kwantowo-biologicznego tunelowania elektronów może pomóc pacjentom z rakiem mózgu – Physics World

Znacznik czasu: 19 października 2023 5:00

Kwantowe terapie mające na celu zabijanie komórek nowotworowych w guzach mózgu
Leczenie ukierunkowane Naukowcy opracowują terapie kwantowe, które selektywnie zabijają komórki nowotworowe w agresywnych guzach mózgu. (Dzięki uprzejmości: Shutterstock/SciePro)

Nowa technologia oparta na modulowaniu procesów kwantowych wewnątrz ludzkich komórek może zrewolucjonizować leczenie szczególnie agresywnej postaci raka mózgu zwanej glejakiem wielopostaciowym.

Łącząc siły w ramach projektu, biochemicy, fizycy, inżynierowie i klinicyści z Uniwersytet w Nottingham wykazali, że stymulacja elektryczna podawana za pośrednictwem bionanoanten może zainicjować kwantowo-biologiczne tunelowanie transferu elektronów (QBET) w komórkach nowotworowych, co powoduje śmierć komórki. Zespół zastosował tę technikę w swoich eksperymentach laboratoryjnych, aby zabić komórki nowotworowe glejaka wielopostaciowego, pozostawiając nienaruszone zdrowe komórki.

Bio-nanoanteny składają się z nanocząstek złota pokrytych cytochromem c, białko odgrywające kluczową rolę w rozpoczęciu apoptozy – naturalnej sekwencji samozniszczenia w komórce. Kiedy cytochrom c ulega utlenieniu w wyniku utraty elektronu w wyniku tunelowania kwantowego, powoduje wysłanie sygnałów, które instruują geny komórki o zmianie w taki sposób, że komórka umiera.

W badaniu, o którym mowa w Natura Nanotechnologia, multidyscyplinarny zespół badaczy pod przewodnictwem Frankiego Rawsona, profesor nadzwyczajny na Wydziale Farmacji, mający doświadczenie w biochemii i elektrochemii, wykorzystał odległe zewnętrzne pole elektryczne do polaryzacji opracowanych bionanoanten. Doprowadziło to do powstania gradientu napięcia wystarczającego do wywołania utleniania – dzięki tunelowaniu elektronów – cytochromu c w powłoce. To z kolei zapoczątkowało mechanizm samozniszczenia w komórkach glejaka pochodzących od pacjenta, z którymi miał bezpośredni kontakt.

Jedną z cech, która sprawia, że ​​glejak wielopostaciowy jest tak trudny w leczeniu, jest tendencja komórek glejaka do rozprzestrzeniania się po mózgu. Zatem nawet po usunięciu guza mózgu w mózgu znajduje się wiele dodatkowych komórek nowotworowych, których nie można usunąć chirurgicznie bez ryzyka uszkodzenia mózgu. Komórki glejaka również szybko stają się oporne na chemioterapię. Zatem to nowe leczenie biologii kwantowej może zasadniczo wyeliminować te bezpańskie komórki.

„Integrujemy elektronikę z biologią, aby kontrolować komórki. Przełącznik [który powoduje śmierć komórki] to zdarzenie tunelowania kwantowego” – wyjaśnia Rawson, dodając, że leczenie selektywnie celuje w komórki nowotworowe ze względu na ich unikalną biologię, której nie można znaleźć w normalnych komórkach. Komórki pozbawione tej specyficznej biologii nie reagują na zewnętrzny bodziec elektryczny, co umożliwia wyodrębnienie komórek nowotworowych, które są podatne na leczenie.

Bionanoanteny z Nottingham są zbyt duże, aby przejść przez barierę krew-mózg – bardzo ścisłe połączenie komórek wyściełających naczynia krwionośne prowadzące do mózgu, które chronią go przed uszkodzeniem, uniemożliwiając przedostawanie się cząstek i dużych cząsteczek. Ponieważ zatem nie można ich wstrzykiwać do krwioobiegu, te bionanocząsteczki będą musiały zostać rozpylone lub wstrzyknięte w pobliżu miejsca guza podczas operacji.

Ponieważ złoto jest biokompatybilne, nie ma potrzeby usuwania cząstek po obróbce. Rawson podkreśla jednak, że potrzebne są dalsze badania, aby określić, co dzieje się z powłoką cytochromową – która, jak się spodziewają, z czasem ulegnie degradacji i przestanie działać – oraz aby ocenić, czy leczenie można zastosować w jednej dawce, czy też, jeśli wymagane są frakcje, jaką dawkę muszą być przestrzegane odstępy czasu pomiędzy dawkami.

Rawson ma nadzieję „przetestować leczenie na pacjentach w ciągu dziesięciu lat” i stara się zabezpieczyć fundusze na małe badania na ludziach. Zespół już wystartował in vivo badania, polegające na wstrzykiwaniu bionanoanten do guzów nowotworowych u zwierząt w celu sprawdzenia, czy nie występują problemy z toksycznością.

„Uważam, że biologia obecnie się zmienia i badacze zaczynają zdawać sobie sprawę, że bioelektryczność obok DNA ma fundamentalne znaczenie dla funkcjonowania komórki” – podsumowuje Rawson, który ma nadzieję, że technika ta może utorować drogę ze względu na jej zdolność do selektywnego atakowania dowolnego rodzaju komórek nowotworowych dla całej gamy kwantowych procedur medycznych. „Ta praca ma wiele implikacji z punktu widzenia biologii kwantowej i terapii kwantowej. Jest to potencjalnie zupełnie nowy paradygmat w medycynie.”

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki