Ein Forscherteam in China hat Pionierarbeit bei der Verwendung neuartiger metallfreier Graphen-Quantenpunkte (GQDs) für die chemodynamische Therapie geleistet, einer neuen nicht-invasiven Krebsbehandlung. Der Durchbruch ebnet den Weg für ein effizientes und kostengünstiges Mittel zur Verbesserung der katalytischen Aktivität von GQDs und geht gleichzeitig auf die Toxizitätsprobleme ein, die mit metallbasierten Nanozyme-Behandlungen verbunden sind.
Reduzierung von Nebenwirkungen
In den letzten Jahren haben metallbasierte Nanozyme (Nanomaterialien mit enzymähnlichen Eigenschaften) großes Potenzial als Therapeutika für die chemodynamische Therapie gezeigt. Bei der Behandlung werden Nanozyme eingesetzt, um den Abbau von Wasserstoffperoxid in Krebszellen zu katalysieren, was zur Produktion hochzytotoxischer Hydroxylradikale führt. Bestrebungen, sie in größerem Umfang einzusetzen, wurden jedoch durch das Vorhandensein anhaltender, nicht zielgerichteter Nebenwirkungen im Zusammenhang mit der Metalltoxizität behindert.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat das Team – angeführt von Hui Wang von der Hefei Institute of Physical Science (HFIPS) an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften – verwendete einen relativ einfachen „Eintopf“-Prozess, um n/p-kodotierte Graphenquantenpunkte (NPGQDs) zu synthetisieren – metallfreie Nanozyme, die aus Membranen roter Blutkörperchen gewonnen werden. Die NPGQDs erwiesen sich bei der Behandlung von Tumoren als äußerst wirksam und mit weniger Nebenwirkungen.
Veröffentlichung ihrer Ergebnisse in der Zeitschrift Materie, beschreiben die Forscher, wie sie NPGQDs als Fenton-ähnliches Reagenz verwendeten, das Wasserstoffperoxid katalysieren kann, um in einer leicht sauren Tumorumgebung Hydroxylradikale zu erzeugen, was zu intrazellulären oxidativen Schäden und der Hemmung der Tumorzellproliferation führt.
In vitro Studien an Krebszellen zeigten, dass die NPGQDs Apoptose und Ferroptose (zwei Arten des Zelltods) induzierten. Die Forscher behandelten auch tumortragende Mäuse mit NPGQDs und beobachteten eine 77.71-prozentige Hemmung des Tumorwachstums nach intravenöser Injektion und eine 93.22-prozentige Hemmung bei intratumoraler Injektion, ohne dass es zu einer Off-Target-Toxizität kam.
„Bemerkenswert ist, dass der synergistische Elektroneneffekt der Einführung von Stickstoff und Phosphor in GQDs stark lokalisierte Zustände in der Nähe des Fermi-Niveaus erzeugen kann, wodurch die Substratadsorption erhöht und die Enzymaktivität verbessert wird“, sagt Erstautor Hongji Liu vom State Key Laboratory of Chemo/Biosensing und Chemometrie bei Hunan Universität.
„Infolgedessen übertrifft ihre maximale Michaelis-Menten-Geschwindigkeit von 0.247 µM/s [ein Maß für die Erzeugungsrate von Hydroxylradikalen] in Gegenwart von Wasserstoffperoxid als Substrat die von klassischen GQDs und Graphenoxid um das Zehnfache.“ er addiert.
Verbesserungswürdige Bereiche
Laut Liu weist die chemodynamische Therapie mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Ansätzen zur Krebsbehandlung auf – darunter die Tatsache, dass der Ansatz „tumorselektiv mit geringen Nebenwirkungen“ ist und dass der Behandlungsprozess durch körpereigene Substanzen wie Wasserstoffperoxid initiiert wird, d. h ist nicht auf die Stimulation durch ein externes Feld angewiesen.
„Chemodynamische Therapie ist auch in der Lage, die Hypoxie und die immunsuppressive Tumormikroumgebung zu modulieren“, erklärt er. „Außerdem sind keine komplizierten Therapiegeräte erforderlich und die Behandlungskosten sind daher relativ gering.“
In Zukunft möchte Liu seine Erkenntnisse durch rigorose Experimente und Datenanalysen weiter validieren und verfeinern. „Dazu gehört die Durchführung umfassenderer Studien, die Erweiterung der Stichprobengröße und die Untersuchung möglicher Störfaktoren, die die Ergebnisse beeinflussen könnten. Dadurch möchte ich die Verlässlichkeit und Generalisierbarkeit meiner Erkenntnisse stärken“, sagt er.
Liu plant außerdem, mit anderen Forschern und Experten auf diesem Gebiet zusammenzuarbeiten, um verschiedene Perspektiven und Erkenntnisse zu gewinnen. Seiner Ansicht nach kann ein solcher kollaborativer Ansatz dazu beitragen, die interdisziplinäre Forschung zu fördern und „ein ganzheitlicheres Verständnis“ der Anwendungen und Auswirkungen seiner Erkenntnisse zu fördern.
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„Es wird auch den Austausch von Ideen und die Identifizierung potenzieller Bereiche für Verbesserungen oder weitere Untersuchungen ermöglichen“, sagt er.
„Wenn es um klinische und medizinische Anwendungen geht, ist es mein Ziel, meine Forschungsergebnisse in praktische Lösungen umzusetzen, die Patienten und Gesundheitsdienstleistern zugute kommen können. Um dies zu erreichen, werde ich eng mit Medizinern und Industriepartnern zusammenarbeiten, um Prototypen zu entwickeln und zu verfeinern, klinische Studien durchzuführen und die Machbarkeit und Wirksamkeit der Implementierung dieser Lösungen in realen Gesundheitsumgebungen zu bewerten“, erzählt Liu Physik-Welt.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/metal-free-graphene-quantum-dots-show-potential-for-cancer-treatment/
