ננושל

ננושל (באנגלית: Nanoshell) הוא ננוחלקיק כדורי בגודל 10–200 ננומטר, המורכב מליבה של חומר דיאלקטרי המצופה בשכבת מתכת דקה. מבנה הננושל מקנה לו תכונות אופטיות מיוחדות. על ידי שינוי קוטר השכבה החיצונית והפנימית, ניתן לשלוט על אפקט הפלזמון רזוננס שנוצר על פני השטח. בזכות תכונה זו, הננושל יכול לבלוע או לפלוט אור במגוון גדול של אורכי גל בתחום האור הנראה ואינפרא אדום. שימושים נפוצים לננושל בביולוגיה הן בתחום הדיאגנוסטי והן בתחום התרפויטי והם כוללים הרג תאים סרטניים, הדמיה ועוד. ננושלים יכולים להכיל רצפטורים על המעטפת שלהם, דבר שמאפשר להם להיצמד לאזור ספציפי בגוף (כמו תאים סרטניים). בזכות כך, הם יכולים להיות מזוהים בעזרת שיטות הדמיה של קרינה אלקטרומגנטית בתחום אינפרא אדום קרוב. הסיבה לשימוש בננושלים המצופים בזהב בביולוגיה הוא הזיקה הגבוהה של קבוצת תיול לזהב. קבוצה זו נמצאת במולקולות אורגניות וביולוגיות רבות כך שניתן לקשור כימית מולקולות אלו על פני שטח הננושל. בזכות המאפיינים הייחודיים וחוסר הרעילות של הננושלים, השימוש שלהם באפליקציות ביולוגיות הולך וגובר. עקב פיזור האור של חלקיקי הננושל הם שימושיים בזיהוי והדמיה של תאי סרטן ברמה של תא בודד. היכולת התרמית של הננושלים מאפשר להם להעלות את הטמפרטורה באזור הגידול ולהרוג אותו בעזרת השראה של קרינה אלקטרומגנטית. בשל פיזורם המכוון בגוף, ננושלים הופכים לנראים בתהליכי ההדמיה אשר מכוונים לאורכי גל מתאימים שתלויים בגודל וצורה של החלקיקים. עקב הספיגה של החלקיקים בגוף והשראת הקרינה, מתרחשת פליטה תרמית אשר מחממת את הסביבה הקרובה לחלקיקי הננושל לטמפרטורה המסוגלת להרוג תאים. בתהליך זה ישנה פגיעה מינימלית בתאי הגוף עקב ניצול של טווח ספקטראלי הנמצא בין 800nm ו-1300nm. תכולת המים הגדולה של גוף האדם, תורמת ליעילות אופטימלית של שימוש באור מול האפקט המתקבל. הרעיון להמצאת הננושל עלה עוד בשנות ה-50 של המאה ה-20. הננושל הראשון סונתז במעבדתה של נעמי האלס באוניברסיטת רייס שבטקסס בשנת 2003. תחילה, החוקרים לא היו בטוחים מה פוטנציאל ההמצאה, אך לאחר שיתוף פעולה עם קבוצת מהנדסי ביוטכנולוגיה גילו את יעילות הננושל בטיפול בסרטן. הלאס ועמיתתה, ג'ניפר ווסט, קיבלו את פרס "הגילוי הטוב ביותר" לשנת 2003 מהעיתון המקוון "ננוטכנולוגיה עכשיו" (NN). השיטה הקלאסית ליצור ננושלים המצופים בזהב מורכבת מארבעה שלבים: מגדלים ננוחלקיקים של סיליקה בשיטת סטובר (אנגלית: Stober Process) כדי ליצור את הליבה הכדורית והדיאלקטרית. סופחים אורגנוסילן (אנגלית: Organosilane) לפני השטח של ננוחלקיקי הסיליקה, כך שהזנבות האמיניים בולטים כלפי חוץ וקבוצות הסילן נקשרים אל פני שטח של ננו חלקיקי הסיליקה. מוסיפים תמיסה של קולואיד זהב בקוטר 1–2 ננומטר לתמיסה הקיימת. קולואיד הזהב מוכן בנפרד על ידי חיזור של HAuCl4 על ידי אלקליין טטרקיס (הידרוקסימתיל)-פוספוניום כלוריד בהתאם לשיטת דף (Duff's method). חלקיקי הזהב מתחברים לאורגנוסילן דרך קבוצת האמין, כך שנוצרת שכבה לא אחידה של זהב על פני ננוחלקיקי הסיליקה. בשלב האחרון, יוצרים ננוחלקיקים המצופים בשכבה אחידה של זהב. לשם כך, חלקיקי הזהב הנמצאים על גבי הסיליקה משמשים כאתר התגרענות לתערובת של HAuCl4 וסודיום קרבונט שעוברים חיזור בנוכחות סודיום בורוהידריד. תהליך זה יוצר התגבשות של קליפת זהב אחידה מסביב לסיליקה. התהליך מבוקר בעזרת ספקטרוסקופיה ב-UV. אם תהליך הייצור הניב ננושלים תקינים, אמורים לראות שיא בליעה אופייני ב-UV. כדי לקבל ננושל המצופה בנוגדנים, תחילה מוהלים את קולואיד הזהב ואת הנוגדן המבוקש ב-HEPES (בנפרד). לאחר מכן, מערבבים אותם ביחס 1:1 ונותנים לתמיסה לעמוד במשך 20 דקות, במהלכן חלקיקי הזהב נקשרים לנוגדנים לקבלת תוצר יציב. לאחר מכן, מוסיפים לתמיסה פוליאתילן גליקול ומסרכזים כדי להסיר שאריות של נוגדנים שלא נקשרו לזהב. לאחר שטיפה נוספת בפוליאתילן גליקול הקומפלקס של חלקיקי הזהב והנוגדנים מורחפים ב-PBS. זיהוי הסרטן בשלבים מוקדמים מביא לתוצאות חיוביות בטיפולים. גידול סרטני מתחיל להתפתח ממספר קטן של תאים ממאירים והיכולת לזהות תאים אלו או תאים טרום סרטניים יהווה צעד ענק במלחמה כנגד המחלה. אמצעי זה יעזור למנוע יצירת נזקים משמעותיים הנגרמים בשלבים מתקדמים יותר כגון גרורות. עבודות רבות הראו שננוחלקיקים המצופים בזהב הראו יכולת זיהוי של תאים סרטניים בודדים בספציפיות מאוד גבוהה. בנוסף לכך, השתמשו גם בננושלים המאוחים לנוגדנים כנגד רצפטורים הנמצאים על פני שטח התא (כגון EGFR, HER2) אשר מבוטאים ביתר בחלק מהסרטנים. בעזרת יכולת הפיזור הטובה של החלקיקים במהלך הבדיקה ראו ריכוז גבוה של החלקיקים על פני שטח של תאי הסרטן. ננושלים יכולים להיות מהונדסים או בצורה כזו שיפזרו את הקרינה לצורך הדמיה או בצורה בה הם סופגים את הקרינה ביעילות רבה וממירים אותה לחום לצורך הרג סלקטיבי של תאים סרטניים. עקב כך, ננושלים מזהב יכולים להיות שימושיים גם בזיהוי והדמיה של הגידולים וגם בטיפולים פוטותרמיים נגד הסרטן. ננושלים קולטים אור באורך גל הנמצא באזור של האינפרא אדום . אורך גל זה נקרא "חלון אופטימלי" כיוון שקליטה של אורך גל זה על ידי רקמות הגוף היא מינימלית, מה שמאפשר חדירה אופטימלית של האור דרך הרקמות וקליטה מקסימלית של הקרינה על ידי החלקיקים באופן סלקטיבי. ננושלים מוזרקים לזרם הדם ומתחילים לנוע בו, עד שהם מגיעים לאזור הגידול ונספגים בו. יכולת הספיגה של הגידולים נובעת מכך שהם פיתחו בקרבם כלי דם רבים המזינים אותם ומאפשרים להם לגדול. כלי דם אלו אינם סדירים כמו ברקמות בריאות ומכילים פגמים רבים, כך שחלקיקים קטנים כמו הננושלים יכולים לחדור דרך הפגמים ולהיכנס לגידול. תוך מספר שעות לאחר ההזרקה הננושלים מצטברים בתוך אתר הגידול. ננוחלקיקים מזהב חודרים אל תוך הגידול על ידי פאגוציטוזה. תאי הגידול בולעים את החלקיקים, יוצרים פגוזום המעביר אותם דרך ממברנת התא. באופן טבעי, החלקיקים הנבלעים עוברים עיכול בתוך התאים על ידי אנזימים מעכלים ומופרשים חזרה החוצה מהתא. הננושלים הבנויים מחומר אנאורגני אינם עוברים עיכול, לכן הם מצטברים בתוך תאי הגידול. כאשר החלקיקים מצטברים בתוך הגידול, מבצעים חשיפה לקרינה באורך גל באזור ה-NIR שחודרת דרך העור לתוך הגידול. ננושלים בולעים אור וממירים אותו לחום ביעילות גבוהה מאוד, לכן 3 דקות של הקרנה מספיקות על מנת להרוג תאים סרטניים על ידי החום. חימום אזור הגידול הוא מאוד הומוגני, מה שמעיד על התפלגות ננוחלקיקים אחידה בכל נפח הגידול תהליך הטיפול שחולה צריך לעבור: הזרקה של החלקיקים, המתנה של תקופה קצרה עד שהחלקיקים מצטברים באזור הגידול, טיפול על ידי הקרינה דרך העור של הגידול למשך כמה דקות. בהשוואה לטיפולי סרטן אחרים טיפול זה הוא פחות מסוכן ופולשני מטיפולים אחרים חלקיקי ננושל יכולים להיות מאוחים לאוליגונוקלאוטידים שישתחררו בהשראה על ידי אור. גדילי ה-DNA הללו ישמשו כטיפול גנטי בשילוב עם הטיפול התרמי. דבר זה אפשרי מכיוון שקומפלקסים של הננו חלקיקים עם ה-DNA נכנסים אל תוך התאים. ה-DNA ישוחרר לאחר אינדוקציה באמצעות הקרנה. הדבר יאפשר מניפולציות פנימיות בתוך התאים הסרטניים, בנוסף או במקום הטיפול שהורג את תאי הגידול. דוגמה נוספת לטיפול בסרטן על ידי שימוש בננושלים הוא להשתמש בהם ככלי לתרופות ציטוטוקסיות על מנת לספק אותם אל אתרים סרטניים בלבד. בתוך הננושל ניתן לשים תרופות ולצפות את השכבה החיצונית של החלקיקים עם תחמוצת ברזל (המאפשר מעקב קל על ידי מכשיר ה-MRI). כך נוצר מצב שכל אזור הגידול מצופה בננוחלקיקים ממולאים בתרופות שיכולות להשתחרר בעזרת אינדוקציה בקרני לייזר באורך גל מסוים ולבצע את תפקידם בהרג הגידול. מרכיבי הננושלים כשלעצמם אינם טוקסיים – זהב היא המתכת אינרטית ביותר מבחינה ביולוגית ומשתמשים בה לטיפול בדלקת מפרקים שגרונית מאז שנות ה-30 של המאה ה-20 - והוכח שסיליקה אינה רעילה במודלים עכבריים. אמנם אין מחקרים ארוכי טווח על רעילות הננושלים, אך הוכח במחקר ננוטוקסיקולוגי שהם בטוחים בטווח הקצר – עכברים שטופלו בננושלים לא הראו תופעות לוואי גם חודשים לאחר הטיפול. עם זאת, נכון להיום, טרם נעשו מחקרי רעילות על בני אדם. ננוחלקיק נקודה קוונטית פלסמון ננו חלקיקי זהב http://www.wiley-vch.de/books/sample/3527321535_c01.pdf Christopher Loo, B.S., Alex Lin, B.S., Leon Hirsch, B.S., Min-Ho Lee, M.S., Jennifer Barton, Ph.D., Naomi Halas, Ph.D., JenniferWest, Ph.D., Rebekah Drezek, Ph.D. (2004). "Nanoshell-Enabled Photonics-Based Imaging and Therapy of Cancer". Technology in Cancer Research & Treatment.3:33-40. http://www.pbs.org/wgbh/nova/body/halas-nanoshell.html http://edition.cnn.com/2007/TECH/science/06/11/halas.biog http://www.nanotech-now.com/2003-Awards/Best-Discoveries-2003.htm Oldenburg, S.J., Averitt, R.D., Westcott, S.L. and Halas, N.J. ( 1998 ). Nanoengineering of optical resonances . Chemical Physics Letters. 288:243-247. Duff D. G., Baiker A. (1993). A New Hydrosol of Gold Clusters. 1. Formation andParticle Size Variation.. Langmuir. 9:2301-2309. Etzioni, R., Urban, N., Ramsey, S. ,McIntosh, M., Schwartz, S., Reid, B. ,Radich, J., Anderson, G. and Hartwell, L. ( 2003 ). The case for early detection.. Nature Reviews Cancer . 3, 243-252. Aaron, J., Nitin, N., Travis, K., Kumar ,S., Collier, T., Park, S.Y., Jose Yacaman ,M., Coghlan, L., Follen, M. and Richards - Kortum, R. ( 2007 ). Plasmon resonance coupling of metal nanoparticles for molecular imaging of carcinogenesis in vivo. Nature Reviews Journal of Biomedical Optics. 12, 034007. Loo, C., Lowery, A., Halas, N., West, J. and Drezek, R. ( 2005 ). Immunotargeted nanoshells for integrated cancer imaging and therapy . Nano Letters, 5, 709 – 711. Gobin, A.M., Lee, M.H., Halas, N.J., James, W.D., Drezek, R.A. and West, J.L. ( 2007 ). Near - infrared resonant nanoshells for combined optical imaging and photothermal cancer therapy . Nano Letters, 7, 1929 – 1934. Christopher Loo, B.S., Alex Lin, B.S., Leon Hirsch, B.S., Min-Ho Lee, M.S., Jennifer Barton, Ph.D., Naomi Halas, Ph.D., JenniferWest, Ph.D., Rebekah Drezek, Ph.D. (2004). Nanoshell-Enabled Photonics-Based Imaging and Therapy of Cancer. Technology in Cancer Research & Treatment.3:33-40. Bardan, R; Lal, S; Joshi, A; Halas, Nj (2011). Theranostic Nanoshells: From Probe Design to Imaging and Treatment of Cancer Accounts of Chemical Research, 44 (10), 936 – 946. http://www.sciencedaily.com/releases/2006/11/061115085736.htm Merchant, B. ( 1998 ). Gold, the noble metal and the paradoxes of its toxicology, Biologicals, 26, 49 – 59. Hirsch, L.R., Stafford, R.J., Bankson, J.A., Sershen, S.R., Rivera, B., Price, R.E., Hazle, J.D., Halas, N.J. and West, J.L. ( 2003 ). Nanoshell - mediated near - infrared thermal therapy of Tumors under magnetic resonance guidance PNAS, 100 (23), 13549 – 13554. O ’ Neal, D.P., Hirsch, L.R., Halas, N.J., Payne, J.D. and West, J.L. ( 2004 ). Photo – thermal tumor ablation in mice using near infrared - absorbing nanoparticles Cancer Letters, 209, 171 – 176. Stern, J.M., Stanﬁ eld, J., Kabbani, W., Hsieh, J.T. and Cadeddu, J.A. ( 2008 ). prostate cancer thermal ablation with laser activated gold nanoshells The Journal of Urology, 179, 748 – 753.