Biological response of human cancer cells to ionizing radiation in combination with gold nanoparticles
Authors: Τρέμη Ιωάννα 
Published: January 2022

Η αλληλεπίδραση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας (IΑ) με τη βιολογική ύλη είναι ένα φαινόμενο που η πλήρης κατανόησή του θα βοηθήσει στην αποσαφήνιση των καρκινογόνων μηχανισμών που σχετίζονται με την ακτινοβολία καθώς και στην αποτελεσματικότερη αντιμετώπιση του καρκίνου μέσω της ακτινοθεραπείας. Στην σύγχρονη ιατρική, η νανοτεχνολογία και συγκεκριμένα τα νανοσωματίδια αποτελούν μερικά από τα απαραίτητα εργαλεία για την παρακολούθηση και τη θεραπεία ασθενειών. Το αυξανόμενο ενδιαφέρον με στόχο τη βελτίωση της ακτινοθεραπείας έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη νανοϋλικών με βάση τον χρυσό ως παράγοντες ενίσχυσης δόσης της ακτινοβολίας/ραδιοευαισθητοποιητές. Τα νανοσωματίδια χρυσού (ΝΣ-Au), μεταξύ άλλων χρήσεων, έχουν επιδείξει ισχυρές δυνατότητες ως ραδιοευαισθητοποιητές, λόγω της βιοσυμβατότητας τους και του υψηλού ατομικού αριθμού (Ζ) του χρυσού, που του προσδίδει σημαντικά υψηλότερο συντελεστή μάζας απορρόφησης ενέργειας ακτίνων Χ σε σύγκριση με τους μαλακούς ιστούς. Η ραδιοευαισθητοποίηση μέσω των νανοσωματιδίων χρυσού αποδίδεται στο μηχανισμό αύξησης δόσης, μέσω της παραγωγής δευτερογενών ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας, μετά από έκθεση σε ιοντίζουσα ακτινοβολία, και πιο συγκεκριμένα σε ακτινοβολία με χαμηλή γραμμική μεταφορά ενέργειας (LET) και σε χαμηλές ενέργειας φωτονίων στο ενεργειακό εύρος kV. Ωστόσο, είναι πλέον σαφές ότι υπάρχει επίσης μια πληθώρα χημικών και βιολογικών παραγόντων που εμπλέκονται σε αυτή τη δράση. Είναι σημαντικό να υπάρχει μία διάκριση μεταξύ της αύξησης δόσης –δηλαδή της αύξησης της ενέργειας που εναποτίθεται στον καρκινικό όγκο λόγω της παρουσίας των νανοσωματιδίων και της ραδιοευαισθητοποίησης, της αύξησης δηλαδή των βιολογικών επιδράσεων της ακτινοβολίας που παρατηρείται όταν χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με νανοσωματίδια. Κατά τη διάρκεια της ακτινοθεραπείας, ο υγιής ιστός που περιβάλλει την καρκινική περιοχή συνήθως επηρεάζεται από τη θεραπεία. Η συσσώρευση των ΝΣ-Αu στις περιοχές του όγκου μπορεί να οδηγήσει σε τοπική αύξηση της δόσης, ακόμη και με χαμηλές δόσεις ακτινοβολίας, ενώ ταυτόχρονα ελαχιστοποιείται ο κίνδυνος για τον περιβάλλοντα υγιή ιστό. Ο κύριος σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να μελετήσει τις βιολογικές αποκρίσεις πολλαπλών ανθρώπινων καρκινικών κυττάρων στην ιοντίζουσα ακτινοβολία σε συνδυασμό με τη χρήση νανοσωματιδίων χρυσού αξιολογώντας πολλαπλούς παράγοντες, ορισμένοι από τους οποίους δεν έχουν ακόμη διερευνηθεί σε αυτό το ερευνητικό πεδίο. Ο συνδυασμός ιοντιζουσών ακτινοβολιών με ΝΣ-Αu μπορεί να αυξήσει τη ομαδοποίηση των γεγονότων εναπόθεσης ενέργειας στην περιοχή των νανοσωματιδίων οδηγώντας σε πολλαπλές βιολογικές επιπτώσεις. Αυτές οι βιολογικές επιπτώσεις αναφέρονται σε επαγόμενη κυτταρική βλάβη και περιλαμβάνουν βλάβες του DNA και/ή αναστολή επιδιόρθωσης DNA, αλλαγές στον κυτταρικό κύκλο, κυτταρικό θάνατο ή κυτταρική γήρανση. Βιολογικές βλάβες τέτοιας προέλευσης, για παράδειγμα στο DNA, είναι πιο δύσκολο να επιδιορθωθούν σε σύγκριση με μεμονωμένες βλάβες και μπορούν να αυξήσουν τις επιζήμιες επιπτώσεις των ΙΑ προκαλώντας ταυτόχρονα πολλαπλές αλλοιώσεις στο DNA όπως βλάβες βάσεων, μονόκλωνες θραύσεις (SSBs) και δίκλωνες θραύσεις (DSBs) οι οποίες μαζικά συντελούν σε σύνθετες βλάβες στο DNA. Σε αυτή τη διατριβή, δόθηκε έμφαση στην πλήρη ταυτοποίηση αυτών των επιπτώσεων σε κυτταρικό επίπεδο χρησιμοποιώντας πολλές μεθοδολογίες όπως ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης, μικροσκοπία φθορισμού, κυτταρομετρία ροής, κυτταρογενετική, κυτταρικές καμπύλες επιβίωσης και άλλες ανοσοκυτταροχημικές μεθόδους. Η χρήση της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας στοχεύει στη διερεύνηση της κυτταρικής πρόσληψης και στον εντοπισμό των ΝΣ-Αu, αλλά αποτελεί επίσης για πρώτη φορά βασικό εργαλείο διερεύνησης βλαβών στο DNA μετά την επαγόμενη ραδιοευαισθητοποίηση από ΝΣ-Au, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για την πολυπλοκότητα των βλαβών που σχηματίζονται. Η ανίχνευση πολύπλοκων βλαβών στο DNA επιδιώκεται εδώ χρησιμοποιώντας πολλαπλές τεχνικές. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται ανοσοκυτταροχημικές τεχνικές τόσο στον ανοσοφθορισμό όσο και στην ηλεκτρονική μικροσκοπία για την οπτικοποίηση των βλαβών του DNA, ανιχνεύοντας ταυτόχρονα ή ξεχωριστά πρωτεΐνες επιδιόρθωσης δίκλωνων θραύσεων όπως η γH2AX ή πρωτεΐνες επιδιόρθωσης βλαβών βάσεων όπως η OGG1. Η ιοντίζουσα ακτινοβολία έχει ως αποτέλεσμα μία πληθώρα κυτταρικών αποτελεσμάτων, συμπεριλαμβανομένου του κυτταρικού θανάτου και της κυτταρικής γήρανσης. Η πιθανή πρόκληση γήρανσης λόγω οξειδωτικού στρες ή βλαβών στο DNA μετά από ραδιοευαισθητοποίηση με ΝΣ-Au, δεν είχε διερευνηθεί μέχρι τώρα. Για το σκοπό αυτό, η κυτταρική επιβίωση καθώς και η κυτταρική γήρανση αξιολογείται μέσω καμπυλών επιβίωσης και ανίχνευσης δεικτών κυτταρικής γήρανσης, αντίστοιχα. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής και σε συνδυασμό με τον μοναδικό ρόλο των ΝΣ-Au, ελέγχεται επίσης και η δράση του αναστολέα επιδιόρθωσης του DNA, Talazoparib, προκειμένου να διερευνηθούν οι συνδυαστικές ραδιοευαισθητοποιητικές δράσεις αυτών των δύο. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται εδώ υποδεικνύουν τον σημαντικό ρόλο των νανοσωματιδίων χρυσού ως ραδιοευαισθητοποιητές στη θεραπεία του καρκίνου, εξετάζοντας ωστόσο τους πιθανούς περιορισμούς. Αυτή η αναλυτική μελέτη στοχεύει να αποσαφηνίσει όλες τις λεπτομέρειες γύρω από τη δράση των ΝΣ-Au ως ραδιοευαισθητοποιητές και να εισαγάγει νέες τεχνικές και μεθοδολογίες που πρέπει να εφαρμοστούν προκειμένου να μπορέσουμε στο μέλλον να παρέχουμε μια ακτινοθεραπεία ενισχυμένη με νανοσωματίδια.