Arany nanoszerkezetek segíthetik a daganatok korai felismerését

A Szegedi Tudományegyetemen a Juhászné Csapó Edit által vezetett Lendület-kutatócsoport tagjai olyan nanoszerkezetekkel foglalkoznak, amelyek aranyból vannak. E nanoszerkezetek szenzorként működő kismolekulákat hordoznak, amelyekkel szennyeződéseket vagy akár tumorsejteket lehet detektálni. Ha megtörtént a felismerés, a részecskék által kibocsátott fluoreszcens fény megváltozik.

Juhászné Csapó Edit, a Szegedi Tudományegyetem Fizikai, Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének adjunktusa és az MTA–SZTE Biomimetikus Rendszerek Kutatócsoport tudományos főmunkatársa több mint tíz évvel ezelőtt kezdett el foglalkozni nemesfém (főként arany-) tartalmú nanoszerkezetekkel. Akkoriban ez Magyarországon rendkívül újszerű témának számított. Az első néhány évben e nanoszerkezetek előállításának kérdéseit vizsgálta munkatársaival. Vagyis azt, hogyan kell változtatni a szintézis körülményeit ahhoz, hogy változzon a részecskék alakja, mérete, összetétele, szerkezete. A Lendület-pályázat elnyerése előtt ezeket az előállított nanoszerkezeteket főként anyagtudományi területeken igyekeztek alkalmazni, például (elektro)katalizátorok vagy optikai szenzorok fejlesztésén dolgoztak.

Cél az orvosbiológiai alkalmazás

Erről az alapról kiindulva kezdtek el mintegy három évvel ezelőtt olyan nemesfémtartalmú nanoszekezetű anyagokat előállítani, amelyek intenzív fluoreszcenciát mutatnak, ha UV-fénnyel világítják meg őket. Ez Magyarországon még a korábbinál is újabb kutatási iránynak számított, hiszen aranyatomokból felépülő fluoreszcens nanoszerkezetekkel addig az országban nem foglalkoztak.

A megelőző kutatásokban – Deák Andrea (szintén a Lendület program kutatója) munkája révén – aranytartalmú fémkomplexek előállítása és szerkezetvizsgálata volt meghatározó. Az új cél az orvosbiológiai alkalmazás lett.

Fluoreszcens aranytartalmú anyagok UV-lámpa alatt Fotó: Juhászné Csapó Edit, forrás: mta.hu

„A Lendület programban e nanoszerkezeteket teljesen új, főként orvosbiológiai alkalmazási területeken igyekszünk felhasználni. Mégpedig zöldkémiai úton előállítható anyagokat fogunk fejleszteni, vagyis olyan anyagokat, amelyek szintézise környezetbarát alapanyagokból valósítható meg – mondja Juhászné Csapó Edit. – Ezáltal az előállítási folyamat költséghatékony, a termékek pedig biokompatibilisek lesznek: vagyis a szervezetbe kerülve jó eséllyel nem fognak mellékhatásokat kiváltani. Ehhez az emberi szervezeten belüli állapotokat modellezzük, és így vizsgáljuk a rendszer stabilitását.”

„Nanoeszközök” fejlesztése

Az orvosbiológiai felhasználási területen a Lendület-kutatócsoport három konkrét célra fog „nanoeszközöket” fejleszteni. Az első az optikai érzékelőrendszerek fejlesztése. Ezek a fluoreszcens részecskék – pontosabban néhány vagy néhány tíz atomból álló klaszterek – még a vírusoknál is egy nagyságrenddel kisebbek, és intenzíven fluoreszkálnak különféle színekben (például kékben, zöldben, pirosban), a szintéziskörülmények változtatásával pedig a fluoreszcencia színe változtatható. Ha ezek a nanoszerkezetek kölcsönhatásba lépnek a célmolekulával (ami lehet az ivó- vagy szennyvízben lévő toxikus anyag, vagy emberi szervezet számára veszélyes kismolekula), akkor megváltozik a fluoreszcenciájuk. E változás bármilyen irányú lehet: a korábbi fluoreszcencia megszűnhet vagy éppen ekkor erősödhet meg, sőt akár a színe is átválthat egy másik színre. Végeredményben a megváltozott fluoreszcencia jelzi a keresett anyag jelenlétét.

A kutatócsoport tagjai korábban már fejlesztettek olyan nanoszenzort, amely egy központi idegrendszeri betegségben szerepet játszó biokémiai körfolyamat megváltozását jelezte. Például a körfolyamat egyik állomásán termelődő vegyület feldúsulását akár vérből is ki lehet mutatni a nanoérzékelő segítségével.

A következő cél már közvetlen betegségdiagnosztikával kapcsolatos. Vannak olyan daganatos megbetegedések, például a melanoma, amelyek nagyon gyorsan áttéteket képeznek a szervezetben, ami sajnos drasztikusan rontja a betegség prognózisát. A Debreceni Egyetem Nukleáris Medicina Intézetében már kidolgozott állatmodellrendszer áll rendelkezésre a melanoma vizsgálatára, a kiváltott daganatokat PET-CT segítségével lehet az egerekben vizsgálni. Csapó Edit Lendület-csoportja velük együttműködve fog tumordiagnosztikai aranyalapú nanoszerkezeteket fejleszteni.

„E nanoszerkezetű anyag felületére felismerőmolekulát (kispeptideket) teszünk, amelyek szelektíven kapcsolódni tudnak a tumorsejt felszíni receptoraihoz. Az arany nanorészecske e felismerőmolekula hordozórendszere – folytatja Csapó Edit. – A felismerőrészecskéket radioaktív izotóppal jelöljük meg, és így egy a melanoma tumort korai fázisban felismerni képes szenzort fejleszthetünk. Természetesen nagyon hosszú folyamat, míg ez a diagnosztikus eszköz a gyógyászatban is alkalmazhatóvá válik, de szeretnénk most megteremteni az alapjait.”

A kísérletekben befecskendezik majd e nanoszerkezeteket olyan egerekbe, amelyekben mesterségesen tumort idéztek elő. Az anyagból mindössze néhány tized milliliterre lesz szükség, amely bekerül az állat vérkeringésébe. Ha egy melanoma tumorra talál, ott felgyülemlik, ami a PET-felvételen nyomon követhető. Fontos a majdani klinikai alkalmazás szempontjából, hogy a felhasznált nanorészecske a vizsgálat lezárulta után a vesén keresztül kiürülhessen a szervezetből.

Molekulányi méretek

Méretük alapján több csoportját különböztetik meg a nemesfém nanoszerkezeteknek. Vannak a vírusokkal összemérhető nagyságúak is, de a Lendület-csoport által előállított szerkezetek meghatározó része kisebb ennél, inkább a molekulák mérettartományába esnek. A kéken világító rendszerek átmérője öt-nyolc atomnyi, így a viselkedésük is a molekuláknak felel meg. Ha az összeálló aranyatomok teljes átmérője meghaladja a ~ 2 nanométert, akkor alapvetően megváltozik a részecske felületi elektronszerkezete. A részecske külső vezetési sávjában oszcillálni kezdenek az elektronok, ami megakadályozza a fluoreszcenciát – vagyis e célra már nem használhatók. Ezen klasszikus nanorészecskék vizes diszperziója már színes.

A Lendület-csoport összes tagja vegyész, és infrastrukturális hátterük is a nanoszerkezetek előállítását és karakterizálását teszi lehetővé. A terápiás alkalmazás tesztelése így csak intézményi partner segítségével lehetséges – ezt nyújtja a Debreceni Egyetem Nukleáris Medicina Intézete. A mostani kutatás alapvetően alapkutatás jellegű, de azt természetesen a kutatócsoport-vezető sem zárja ki, hogy ha a vizsgálatok ígéretes eredményt hoznak, esetleg valamely készítményt szabadalmaztatni is tudják, akkor ez felkeltheti valamelyik gyógyszercég érdeklődését. Ez pedig elvezethet a klinikai alkalmazásig is.