Milyen új lehetőségeket kínálnak a szén nanocsövek az immun- és szonodinámiás rákterápiában?

A szén nanocsövek (CNT-k), különösen az egyfalú (SWCNT) és többfalú (MWCNT) változataik, egyre jelentősebb szerepet játszanak az onkológiai nanogyógyászatban. A hagyományos fototermikus terápia (PTT) hatékonyan pusztítja a daganatsejteket lokálisan hőhatás révén, de önmagában nem képes kiváltani erőteljes immunválaszt, mivel a daganatok immunogénitása gyenge. Ez a probléma azonban orvosolható a PTT és az aktív immunstimuláció kombinációjával, ahol a nanocsövek kulcsfontosságú hordozókká válnak.

Zhou és munkatársai glikált kitozánt (GC) alkalmaztak immunoadjuvánsként, amelyet SWCNT-khez kötöttek (SWCNT-GC). Az így előállított rendszer 980 nm-es lézersugárzás hatására 30 °C-ról 60 °C-ra növelte a hőmérsékletet. A makrofágokban megfigyelhető volt a nitrogén-monoxid fokozott termelődése, valamint a CD80 expressziója, ami a dendritikus sejtek érésére utalt. A FITC-vel jelölt SWCNT-GC képes volt bejutni az EMT6 sejtekbe, ahol citoplazmatikus akkumulációt mutatott, valamint fokozta az IFNγ szekréciót is. Egérmodellben az SWCNT-GC és lézeres besugárzás kombinációja a tumorfelszínen 2 percen belül 62 °C-ra, majd 5 percen belül 72 °C-ra emelte a hőmérsékletet, ami 89,2%-os apoptózist indukált.

Egy másik vizsgálatban Wang és munkatársai a PTT-t a CTLA-4 elleni antitesttel kombinálták, amely hatékonyan akadályozta a tumor metasztázisát. Az SWCNT-k PEG-graftolt amfifil polimerekkel történő nem-kovalens módosítása nemcsak a daganat lokális termikus elpusztítását tette lehetővé, hanem a tumorsejtekhez kötődő antigének felszabadítását is előidézte, ami elősegítette a csontvelő-eredetű dendritikus sejtek érését. A kezelt egerekben jelentősen megnőtt az IL-1β, IL-12, IL-6 és TNF-α gyulladásos citokinek szintje, valamint a CD80 és CD86 molekulák expressziója.

A kezelés nemcsak a primer tumorokat eliminálta, de visszaesés sem következett be. Az immunválasz egyik kulcseleme a CD8+ citotoxikus T-sejtek aktiválódása volt, amelyek perforin, granzim és granulizin felszabadításával pusztították a tumorsejteket. A CTLA-4 blokád szignifikánsan csökkentette a regulátor T-sejtek jelenlétét, miközben fokozta az effektor T-sejtek beszivárgását a távoli tumorhelyekre. Az SWCNT-alapú PTT és anti-CTLA-4 terápia kombinációja jelentősen csökkentette a tüdőmetasztázis mértékét is.

A nanogyógyászat másik ígéretes ága a szonodinámiás terápia (SDT), amely alacsony intenzitású ultrahanggal és szenzibi

A grafén alapú nanomateriálok szerepe a rák nanoterápiás kezelésében

A palliatív ellátás mellett kiemelt fontosságú, hogy a jövő egészségügyi rendszere központba helyezze az embereket, miközben a kezelések hatékonyságát és biztonságát is előtérbe helyezi. A COVID-19 világjárvány rámutatott a rákos betegek fokozott sérülékenységére, különösen azoknál, akik kemoterápiás kezelésen vagy sugárkezelésen esnek át, mivel az ilyen kezelések gyengítik az immunrendszert. Felmerül a kérdés, hogy a rák kezelését a COVID-19 fertőzés kockázata mellett kell-e folytatni, és hogyan egyensúlyozzák az orvosok a kezelések előnyeit és a vírus okozta veszélyeket. A pandémia alatt az onkológusoknak folyamatosan figyelembe kell venniük a COVID-19 okozta mortalitás és morbiditás kockázatát, miközben a rákos betegek számára biztosítják a szükséges kezeléseket.

A gyenge immunrendszerű betegek különösen veszélyeztetettek a COVID-19 fertőzéssel szemben, különösen azok, akik kemoterápiás vagy sugárkezelésben részesülnek, vagy vér- és csontvelő daganatokban szenvednek. Az ilyen kezelések fő hátránya, hogy nem célzottak, mivel a kezelés nemcsak a daganatsejteket, hanem az egészséges sejteket is károsíthatja. Ez az oka annak, hogy az orvostudomány számára sürgetővé válik a hatékonyabb kezelési megközelítések kifejlesztése, amelyek képesek minimalizálni a mellékhatásokat, miközben maximálják a terápiás hatékonyságot.

A theranostika, amely a diagnosztika és a terápia kombinációját jelenti, új megközelítést kínál az orvosi kezelések terén. Ez az új koncepció személyre szabott orvoslást és valós idejű terápiás nyomonkövetést céloz. A nanotechnológia alapú megoldások lehetővé teszik a daganatos sejtek célzott elpusztítását anélkül, hogy jelentős kárt okoznának az egészséges szövetekben. Ez a megközelítés nemcsak a daganatok kezelése szempontjából ígéretes, hanem a rákos sejtek megelőző kezelése terén is, mielőtt azok valódi daganatokká fejlődnének. Emellett a nanotechnológia javítja a daganatok sebészeti eltávolításának pontosságát, lehetővé téve a makromolekulák valós idejű manipulálását a rák korai stádiumaiban.

A grafén, mint új biomedikális anyag, az utóbbi években egyre nagyobb figyelmet kapott, különösen a rák kezelésében és diagnosztizálásában. A grafén egy kétdimenziós, egyetlen rétegű szénatomokból felépített hálózat, amely lehetővé teszi a különféle biológiai alkalmazásokat, például gyógyszerhordozók, bioszenzorok és bioimaging rendszerek fejlesztését. A grafén és a grafén-oxid rendkívül nagy felülettel rendelkezik, amely elősegíti a biomolekulákkal való kölcsönhatásokat, és ezért hatékony gyógyszerhordozóként szolgálhat. A grafén biokompatibilitása és más fizikai-kémiai tulajdonságai különböző alkalmazások számára vonzóvá teszik, különösen a nanoterápiás eszközök kifejlesztésében.

A grafén-oxid (GO) alkalmazása különösen fontos a vízoldhatóság és a gyógyszerhordozó kapacitás növelése szempontjából. A GO-nak olyan funkcionális csoportjai vannak, mint a hidroxil- és karboxilcsoportok, amelyek lehetővé teszik a felületük módosítását, és javítják a gyógyszerbefogadási képességet. Azonban a grafén és annak származékai alkalmazása nem mentes a kihívásoktól. A vízoldhatóság és a felületmódosítások miatt számos kutatás próbálja optimalizálni a grafén különféle vegyületekhez való kötését és azok biológiai alkalmazását.

A grafén különféle módon módosítható, hogy javítsák a terápiás hatékonyságot. Az egyik ilyen módszer a kovalens módosítások, amelyek erős, tartós kötéseket hoznak létre a grafén és különböző molekulák között. Például a grafén-oxid nanosheets és a hisztidin-prolin gazdag glikoproteinek közötti kölcsönhatás lehetővé teszi a célzott rákos sejtmegsemmisítést, míg a grafén-oxid kombinálása cisplatin gyógyszerekkel segíthet a kemoreszisztencia leküzdésében a ráksejtekben.

Más módosítások, például a poli-etilén-glikol (PEG) vagy folsav (FA) használata, lehetővé teszik a célzott gyógyszer- és géntranszfer mechanizmusokat a rákos sejtekhez. Ezek a technikák növelhetik a gyógyszerek hatékonyságát és csökkenthetik a mellékhatásokat, miközben javítják a gyógyszerek és gének ráksejtekhez való eljuttatásának hatékonyságát.

A grafén alapú nanomateriálok alkalmazása számos lehetőséget kínál a jövőbeli rákkezelési technológiák számára, különösen a nanoterápiás alkalmazásokban, ahol a gyógyszerek és diagnosztikai eszközök célzottan és hatékonyan juttathatók el a daganatsejtekhez. Az új technológiák, mint a mágneses hipertermiás terápia, ahol az elektromágneses hullámok segítségével melegítik fel a nanomateriálokat, új irányokat nyitnak a rák kezelésében.

Ahhoz, hogy a grafén alapú nanomateriálok elérjék teljes potenciáljukat, szükséges a további kutatás és fejlesztés, különösen a biokompatibilitás és a toxicitás kérdésében. Az optimális gyógyszerhordozó rendszerek, amelyek képesek a maximális terápiás hatékonyság elérésére anélkül, hogy káros hatással lennének az egészséges szövetekre, még további fejlesztést igényelnek.

Mi a szerepe és a legfontosabb tényezők a festékkel érzékeny napelemekben?

A festékkel érzékeny napelemek (DSSC) működésének alapja, hogy egy fény által gerjesztett festékmolekula elektronokat injektál a félvezető vezetési sávjába. Ezt a jelenséget először 1972-ben publikálták, ahol a cink-oxidot (ZnO) klorofillal érzékenyítették, ami lehetőséget adott arra, hogy elektromosságot generáljanak a festék gerjesztésével. Bár a kezdeti hatékonyság alacsony volt a ZnO egykristályok kis felülete miatt, a technológia fejlődése elindította a modern DSSC rendszerek fejlődését. Az egyes komponensek fejlődése és azok közötti kölcsönhatások, mint a fényfelvétel és az elektron-átvitel, alapvetőek ahhoz, hogy a DSSC rendszerek hatékonyabbá váljanak.

A modern DSSC technológia három fő részből áll: az anódból, a katódból és az elektrolitból. Az anódban található fotoanód, amely tartalmazza a festéket, amely a fény energiáját abszorbeálja. A fotoanód egy üvegrétegre van felhordva, amelyen átlátszó vezető oxid (például fluórozott ón-oxid, FTO) található, hogy az elektronokat átvezesse a külső áramkörbe. A fotoanódban a szilícium-dioxid alapú, széles sávú, mesoporózus félvezetők találhatóak, amelyek nagy felületi területtel rendelkeznek, biztosítva a festék nagyfokú adszorpcióját. Ezáltal megnöveli az energia konverziós hatékonyságot, mivel a festék mennyisége döntő szerepet játszik a napelem teljesítményében. Az optimális festék-adszorpció kulcsfontosságú tényező, ami miatt a mesoporózus félvezetők alkalmazása elterjedt.

A festék, amelyet chemisorbeáltak a félvezető felületére, alapvető a fényfelvétel szempontjából. A festék fotonokkal gerjeszti a molekulákat, amelyek az elektronokat a félvezetőbe juttatják. Ehhez fontos, hogy a festék széles spektrumú fényelnyelési képességgel rendelkezzen, és a molekula legalsó üres molekuláris pályája (LUMO) alacsonyabb legyen, mint a félvezető vezetési sávja. Ez biztosítja az elektron gyors átvitelét. A festéknek ezen kívül nagy moláris extinkciós értékkel kell rendelkeznie az abszorpciós spektrum teljes tartományában, valamint jó oldhatósággal kell bírnia, hogy elkerülje az elektrolit által történő deszorpciót.

Az elektrolit feladata, hogy regenerálja az oxidált festéket azáltal, hogy elektront ad vissza, és ezzel zárja a ciklust. A leggyakoribb elektrolitok a trijodid-alapú elektrolitok (I-/I3-), mivel ezek kielégítik azokat a követelményeket, amelyek szükségesek a hatékony működéshez, mint például a negatív elektrokémiai potenciál a festék redukciója érdekében, valamint a stabilitás és a jó ionvezető képesség.

A katód feladata az, hogy az elektronokat a külső áramkörből átvezesse az elektrolitba. A katód általában platina bevonatú FTO vagy szén alapú anyagokból készül, amelyek jó katalitikus tulajdonságokkal bírnak a redox elektrolit folyamatos regenerálása érdekében. Az ilyen katódok lehetővé teszik a festékből származó elektronok folyamatos áramlását és biztosítják a rendszer hatékony működését.

A legfontosabb komponens, amely a DSSC teljesítményét meghatározza, a festékek minősége és a félvezetők anyagai. A fotoanódnak széles sávú, mesoporózus félvezetőként kell működnie, mivel ezek nagy felületet biztosítanak, így jobb festék adszorpciót eredményeznek. A festékeknek jó szolubilitással kell rendelkezniük, és biztosítaniuk kell az elektronok hatékony átadását a félvezetőbe. Az elektrolitnak és a katódnak is kulcsszerepe van a teljes energia-konverziós folyamatban. A megfelelő anyagok kiválasztása, a nano- és mesoporózus struktúrák alkalmazása lehetővé teszi, hogy a festékkel érzékeny napelemek hatékonyabban működjenek, és így nagyobb energiasűrűséget érjenek el.

A DSSC működésében tehát számos tényező játszik szerepet. A megfelelő félvezető anyagok, mint a TiO2 és ZnO, amelyek mesoporózus szerkezettel rendelkeznek, kulcsfontosságúak, mivel nagy felületet biztosítanak a festék számára. A festékek kiválasztása, valamint az elektrolit és a katód komponensek megfelelő integrációja határozza meg az eszköz hatékonyságát és hosszú távú stabilitását. Ezen kívül a festékkel érzékeny napelemeknél figyelembe kell venni a hőmérsékleti hatásokra való stabilitást, mivel a működési hőmérséklet és a hosszú távú megbízhatóság kulcsfontosságú tényezők a gyakorlati alkalmazás szempontjából.