[論文レビュー] Frequency Doubling Nanocrystals for Cancer Theranostics

Davide Staedler, Thibaud Magouroux+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2013

Photodynamic Therapy Research Studies被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、ビスマスフェルル酸鉄（BFO）を基盤とする周波数倍効果を示すナノ結晶（二次高調波ナノ粒子、HNPs）を用いたがん治療診断（セラノスティクス）を提案する。第二高調波発生を介して波長切り替えによるイメージングと治療が可能となり、フェムト秒レーザー励起を赤外線（イメージング）から可視光（治療）に切り替えることで、体内で深紫外線放射（270 nm）を生成し、光感光剤を用いず、非標的活性化を伴わず、肺がん細胞におけるDNA二重鎖切断とアポトーシスを誘発する。

ABSTRACT

A novel bio-photonics approach based on the nonlinear optical process of second harmonic generation by non-centrosymmetric nanoparticles is presented and demonstrated on malignant human cell lines. The proposed method allows to directly interact with DNA in absence of photosensitizing molecules, to enable independent imaging and therapeutic modalities switching between the two modes of operation by simply tuning the excitation laser wavelength, and to avoid any risk of spontaneous activation by any natural or artificial light source.

研究の動機と目的

• 非線形光学ナノ粒子を用いて、イメージングと治療を分離可能な新しい治療診断プラットフォームの開発。
• 体内で深紫外線放射（270 nm）を生成することで、光感光剤を介さない直接的ながん細胞内DNA損傷の実現。
• パルス状フェムト秒レーザー励起に依存することで、非標的活性化のリスクを排除。
• 非対称結晶構造を有するナノ粒子を用いて、高コントラストイメージングと標的性光傷害の両方を実現する可能性の実証。

提案手法

• フェムト秒レーザー励起によって第二高調波（SH）光を発生させる非対称結晶構造を有するビスマスフェルル酸鉄（BFO）高調波ナノ粒子（HNPs）を用いた。
• イメージングには790 nmの可変波長Ti:サファイアレーザーを用いて二光子励起を実施し、SH発光（青色）を生成した。治療には540 nmの非共面的光増幅器を用いた。
• 非下降検出およびスペクトルフィルタリングを用いたマルチフォトン顕微鏡法により、細胞内蛍光（例：FM1-43FX）からのSH信号を分離した。
• A549およびHTB-182肺がん細胞を、可視光540 nmパルス（30 fs、15 mW、1 kHz）で30〜120秒間照射し、DNA損傷およびアポトーシスを誘発した。
• γH2AXの免疫蛍光染色によるDNA二重鎖切断（DSBs）の定量的評価、およびカスパーゼ-3/7活性および形態的解析によるアポトーシスの評価を実施した。
• 生体適合性試験として、MTT法による細胞生存率、DTT試験による酵素活性、DHE/DCFH-DAによる活性酸素種（ROS）生成の測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称HNPが第二高調波発生を示すことにより、光感光剤を用いず、非侵襲的イメージングと標的性DNA損傷をがん細胞で実現できるか？
• RQ2 治療効果が可視光励起および体内で生成される深紫外線放射（270 nm）に依存しているか？
• RQ3 フェムト秒パルス励起に依存するため、自然光または人工光源による非標的活性化を回避できるか？
• RQ4 励起波長を切り替えるだけで、イメージングと治療を分離できるか？
• RQ5 ヒトのがん細胞株におけるBFO HNPsの細胞傷害性および酸化的ストレスの生体適合性プロファイルはいかなるものか？

主な発見

• BFO HNPsの可視光540 nm励起により、非線形光学的応答およびスペクトル解析により、体内で深紫外線放射（270 nm）が生成されたことが確認された。
• γH2AXの免疫蛍光染色によるDNA二重鎖切断（DSBs）の定量的検出が可能であり、励起時間およびHNP濃度が増加するに従い、蛍光強度が上昇した。
• 可視光励起（120秒）下でのみアポトーシスが観察され、カスパーゼ-3/7活性が顕著に上昇したが、赤外線イメージング条件下ではアポトーシスは認められなかった。
• 100 µg/mLのBFO HNPsに72時間露出後も細胞生存率が75％以上を維持したため、低細胞傷害性および良好な生体適合性が示された。
• BFO HNPsはDTP消費量に濃度依存性を示した（酵素活性）、が、DHEおよびDCFH-DAによるROS生成は対照群と比較して有意に上昇しなかった。
• 治療効果はレーザー照射スポットに厳密に限定されており、赤外線励起下では観察されず、自発的活性化の欠如および高い空間選択性が確認された。