Τεχνολογικές και βιο-ιατρικές εφαρμογές μαγνητικών νανοδομών
Authors: Τσιάπλα Αικατερίνη-Ραφαηλία 
Published: March 2023

Η μάχη κατά τον καρκίνο δεν είναι εύκολη υπόθεση, λόγω της πολυπλοκότητας και της μεγάλης ετερογένειας που αυτή η νόσος παρουσιάζει. Ωστόσο, με την συμβολή της νανοτεχνολογίας που ολοένα και αυξάνεται τα τελευταία χρόνια είναι δυνατή η αποτελεσματική αντιμετώπιση του. Μαγνητικά ενεργοποιημένες θεραπείες, που βρίσκονται ήδη στο στάδιο των κλινικών δοκιμών ή της ιατρικής πράξης, είναι δυνατόν να ανταγωνιστούν τις εδώ και δεκαετίες καθιερωμένες θεραπείες, τη χημειοθεραπεία και την ακτινοθεραπεία ή να δράσουν συμπληρωματικά προς αυτές, με στόχο την αύξηση της θεραπευτικής απόδοσης και την ταυτόχρονη μείωση των παρενεργειών, αυτών των επεμβατικών θεραπειών. Ο συνδυασμός μαγνητικών πεδίων και μαγνητικών νανοσωματιδίων (ΜΝΣ) χρησιμοποιείται ήδη στη διάγνωση (σκιαγραφικοί παράγοντες MRI), στη θεραπεία (απόθεση φαρμάκων, μαγνητική υπερθερμία) και στον χειρισμό καρκινικών ιστών (βιοσήμανση, βιοδιαχωρισμός). Τα μαγνητικά πεδία που χρησιμοποιούνται διαπερνούν βιολογικούς ιστούς και είναι ασφαλή για τον άνθρωπο. Το ίδιο συμβαίνει και με τα ΜΝΣ, τα οποία διαπερνούν εύκολα πολλών ειδών βιολογικές διαδρομές και είναι επίσης, ασφαλή για τον άνθρωπο. Έτσι, η μαγνητική υπερθερμία νανοσωματιδίων (ΜΥΝ) αποτελεί μια από τις πιο ενδιαφέρουσες μεθόδους θεραπείας, η οποία στοχεύει στη τοπική θέρμανση των όγκων και των καρκινικών κυττάρων, στο θερμοκρασιακό εύρος 41-45 οC, μέσω ΜΝΣ που εκλύουν θερμότητα, όταν αυτά εκτεθούν σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο.Τα τελευταία χρόνια, στη μάχη κατά του καρκίνου, ιδιαίτερη προσοχή δίνεται και στη μαγνητο-μηχανική δράση νανοσωματιδίων που προκαλούν στατικά ή χρονικά μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία, απουσία θερμότητας. Πιο συγκεκριμένα, μηχανικές δυνάμεις που δημιουργούνται μέσω μαγνητικών πεδίων "χειραγωγούν" τα μαγνητικά νανοσωματίδια (ΜΝΣ), μέσα σε μεταβλητά περιβάλλοντα. Η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια, συνδυάζοντας διάφορους τύπους πεδίων, (όπως στατικό, παλμικό, εναλλασσόμενο, περιστρεφόμενο), πολύ χαμηλών συχνοτήτων, με ΜΝΣ, επιτρέποντάς τα να λειτουργούν και να συνδέονται ειδικά με κυτταρικές μεμβράνες (κακοήθεις και μη), καταστρέφοντας μόνο τους καρκινικούς ιστούς. Η μαγνητική καταπόνηση μέσω ΜΝΣ και ο επαγόμενος αποπτωτικός θάνατος των καρκινικών κυττάρων έχει ήδη μελετηθεί σε ειδικά σχεδιασμένες διατάξεις, όπου μόνιμοι μαγνήτες ή ηλεκτρομαγνήτες χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ελεγχόμενων βαθμίδων πεδίου που εφαρμόζονται σε ΜΝΣ επωασμένα σε καρκινικές κυτταρικές καλλιέργειες.Στη παρούσα διδακτορική διατριβή λοιπόν, στόχος είναι η θερμική και μηχανική ενεργοποίηση μαγνητικών νανοσωματιδίων (ΜΝΣ) ως στρατηγικές αντιμετώπισης του καρκίνου, υπό την επίδραση μαγνητικών πεδίων. Ωστόσο, κατά τη ΜΥΝ εμφανίζονται ανεπιθύμητα ρεύματα Eddy, τα οποία προκαλούν δυσφορία στους ασθενείς και απώλειες ισχύος αποτελώντας σημαντικό παράγοντα που περιορίζει την απόδοση της ΜΥΝ, σε κλινικές δοκιμές. Επομένως, πρωταρχικός στόχος της συγκεκριμένης διατριβής είναι η ελαχιστοποίηση της ανεπιθύμητης θέρμανσης των υγιών ιστών, χωρίς να περιορίζεται η θεραπευτική ικανότητα των ΜΝΣ, για αποτελεσματική θεραπεία της προβληματικής περιοχής. Για την επίτευξη αυτού του στόχου προτείνονται δύο εναλλακτικά πρωτόκολλα μαγνητικής υπερθερμίας, αφενός με τη χρήση διακοπτόμενα εφαρμοζόμενου εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου αντί συνεχόμενου εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου και αφ’ ετέρου με την σχετική κίνηση του πεδίου ως προς το δείγμα, μέσω μιας τράπεζας - κίνησης. Οι δύο αυτοί εναλλακτικοί τρόποι διεξαγωγής της ΜΥΝ, εξετάζονται και χωριστά, αλλά και συνδυαστικά με σκοπό την ακόμη μεγαλύτερη μείωση των παρενεργειών αυτών στους υγιείς ιστούς.Για τη προσομοίωση των καρκινικών και υγιών ιστών συντέθηκαν ομοιώματα αγαρόζης παρουσία και μη ΜΝΣ, αντίστοιχα. Τα ΜΝΣ που χρησιμοποιούνται είναι από οξείδια του σιδήρου (Fe3O4), καθώς χρησιμοποιούνται ευρέως, λόγω της βιοσυμβατότητας, της λειτουργικότητας και των ιδιαίτερων μαγνητικών τους ιδιοτήτων, τόσο στη θεραπεία, όσο και στη διάγνωση διαφόρων ασθενειών. Τα ΜΝΣ αυτά, αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο με τη μέθοδο της υδατικής συγκαταβύθισης και πραγματοποιήθηκε δομικός, μορφολογικός και μαγνητικός χαρακτηρισμός. Για μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα και βαθύτερη κατανόηση της ανταπόκρισης ενός πραγματικού ζωικού ιστού, το ίδιο πρωτόκολλο υλοποιήθηκε και σε ex vivo μετρήσεις.Σε επόμενο στάδιο, μελετάται η μαγνητο-μηχανική καταπόνηση καρκινικών και υγιών κυττάρων του μαστού, εφαρμόζοντας διάφορους τύπους πεδίου, όπως στατικό, παλμικό και περιστρεφόμενο, σε πολύ χαμηλές συχνότητες με στόχο τη μείωση της βιωσιμότητας, μόνο των καρκινικών κυττάρων. Με τη βοήθεια φθορίζουσων χρωστικών και της συνεστιακής μικροσκοπίας, αποτυπώνονται οι αλλοιώσεις που έχουν υποστεί ο κυτταροσκελετός και ο πυρήνας των κυττάρων, ύστερα από μία μαγνητο-μηχανική θεραπεία. Τα ΜΝΣ που χρησιμοποιούνται και σε αυτήν την έρευνα είναι από οξείδια του σιδήρου, εμπορικά και επικαλυμμένα με άμυλο. Επομένως, το τελευταίο στάδιο αυτής της διδακτορικής διατριβής και το κύριο ερευνητικό ερώτημα που θέτει, αφορά το συνδυασμό της θερμικής και της μηχανικής θεραπείας, ώστε να διερευνηθεί η αθροιστική επίδραση των δύο αυτών προσεγγίσεων στην καταστροφή των καρκινικών κυττάρων του μαστού, μέσω της διέγερσης ΜΝΣ από μαγνητικά πεδία.