Fra fundamental lys-nanopartikel vekselvirkning til cancer behandling. en hyldest til Nobelprisen i fysik 2018

Transkript

1 Optical Tweezers Group Fra fundamental lys-nanopartikel vekselvirkning til cancer behandling en hyldest til Nobelprisen i fysik 2018 Professor Lene B. Oddershede Niels Bohr Institutet

2 Optical Tweezers Group medicin Fysik i grænselandet Historiske gennembrud i grænselandet mellem fysik og biologi/medicin DNA struktur Nuklear medicin biologi fysik Optiske pincetter Nobelprisen i fysik 2018 Optisk manipulation af nanopartikler Laser induceret opvarmning af nanopartikler Nanofotonik Samarbejde mellem fysikere og onkologer om udvikling af ny nanopartikel baseret cancer terapi Perspektivering

3 Optical Tweezers Group DNA krystal strukturen Watson and Crick, Nature (1953) og Franklin et al. Nature (1953) De vigtigste røntgen data blev taget af Rosalind Franklin, Cambridge University

4 Optical Tweezers Group George de Hevesy ( ) George de Hevesy: født i Budapest, doktorgrad fra TU Berlin i 1908 da han var 23 år gammel. Var postdoc i Manchester hos Rutherford samtidig med Niels Bohr. Rutherford satte ham til at isolere Radium fra bly-isotoper - en umulig opgave. Fandt på at bruge det radioactive Radium-D, som ikke kunne skilles fra bly, til sporstof som en indikator for bly. Brugte det f.eks. til at bevise, at den kartoffelmos han fik serveret var flere dage gammel...

5 Optical Tweezers Group George de Hevesy og København Niels Bohr Institutet, Blegdamsvej 17, anno 1920 George de Hevesy arbejder i Københaven i 1920 erne og opdager grundstof nr 72, Hafnium. Bliver professor i Freiburg i 1927, men må som jøde forlade Tyskland under nazismens frem-march. Bohr tilbyder ham job ved NBI I denne tidsperiode videreudviklede han tracermetoden sammen med August Krogh og Niels Bohr. Dette blev muliggjort via den radium-beryllium kilde, som Bohr i oktober 1935 fik i 50-års fødselsdagsgave: kr. til 1 gram radium samlet ind fra den danske befolkning

6 Optical Tweezers Group Nuklear medicin Krogh, Hevesy og Bohr samarbejdede om at anskaffe en cyklotron til fremstilling af radioaktive isotoper. Cyklotronen var opfundet i 1932 af Nobelprismodtageren Ernest Lawrence, USA. København s cyklotron blev bevilliget af The Rockefeller Foundation. Cyklotronen skulle bruges til fysikforskning på NBI, men også til at producere isotoper til brug på Rigshospitalet. Den blev indviet i 1938 og var i brug til I 1944 modtog George de Hevesy nobelprisen, og samtidig blev Danmark for usikkert for jøder. Derfor flyttede George de Hevesy til Stockholm, hvor han forblev indtil sin død i I DAG: anvendes sporstoffer fx i PET teknikker til cancer diagnostik og nuklear medicin har mange væsentlige anvendelser.

7 Optical Tweezers Group Nobelprisen i fysik 2018: Banebrydende opdagelser i laser fysik 50 pct: Arthur Ashkin for opfindelsen af optiske pincetter og deres anvendelser i biologi og medicin 50 pct: Gérard Mourou og Donna for opfindelsen af høj-intense og ultra-korte laserpulser Foredrag på Niels Bohr Institutet lørdag eftermiddag d Første udgave: to lasere udbreder sig i retninger mod hinanden. Strålingstrykket i kombination med gradientkraften sørger for, at partiklen er fanget stabilt i midten (Askhin PRL 1970)

8 Optical Tweezers Group Optisk levitation Spredningskraften fra en laser (BEAM 1) balanceres med tyngdekraften på kuglen. Caritas springvandet, som til Dronningens fødselsdag fanger guldæbler ved at balancere trykket fra en vandstråle med tyngdekraften på guldæblet.

9 En optisk pincet baseres på en kraftigt fokuseret laser. F = -κx Intensitets gradienter trækker små objekter mod fokus, spredningskraften presser dem langs lysets udbredelsesregning. Hvis gradient kraften dominerer, fanges partiklen i 3D nær fokus punktet Verdens mindste pincet Simulering: optical-tweezers_en.jar D.G. Grier, Nature (2003)

10 Scandinaviens første optiske pincet Blev bygget på Niels Bohr Institutet 1999 Optical Tweezers Group

11 Optiske pincetter anno 2018 på Niels Bohr Institutet Photodiode back focal plane detection: 3D spatial resolution ~1nm Temporal res. up to MHz Using the SPT routine: 3D spatial resolution ~5nm Temporal resolution ~1000 Hz Take care to minimize spherical aberrations Richardson, Reihani, Oddershede, SPIE proceedings vol p (2006) Richardson, Reihani, Oddershede, Optics Express, vol. 32, p. 291 (2008) Czerwinski, Oddershede, Optics Express, vol. 17 p (2009) Laser: 1064 nm Low absorption in biological specimen

12 Optisk manipulation af verdens mindste partikler GULD kugler, ned til 8 nm Hansen, Bhatia, Harrit, Oddershede, Nano Letters, vol. 5 p.1937 (2005). SØLV kugler, ned til 20 nm L. Bosanac, T. Aabo, P.M. Bendix, L.B. Oddershede, Nano Letters vol.8 p.1937 (2008) QUANTUM DOTS, kan også eksiteres Jauffred, Richardson, Oddershede, Nano Letters vol. 8 p.3376 (2008) Jauffred, Kyrsting, Arnspang, Reihani, Oddershede, Nanoscale, vol. 6 p (2014). LIPOSOMER, ned til 60 nm Bendix, Oddershede, Nano Letters vol.11 p (2011)

13 Absorption af lys medfører opvarmning Notre Dame, Paris ~1200

14 Optical Tweezers Group Laser opvarmningen af Au nanopartikler En laser bestrålet partikel placeres i et lipid bilag (15 carbon, ligner smør) med fluoroforer, DiI C18, som foretrækker at være i gel fasen. Ved opvarmning til 33 o C smelter bilaget og bliver flydende.

15 Som at måle varmen fra en flamme ud fra det smeltede areal 4

16 Størrelse af smeltet areal Temperatur profil Overflade temperature forøgelse Goldberg relationen: 3 R ICabs I T ( D) = = const 3DKV D Bruges til at finde temperature forøgelsen. Bemærk at kogepunktet for vand er øget til ~200 o C. Bendix, Reihani, Oddershede, ACS Nano vol. 4 p 2256 (2010)

17 Finite Element Modeling of temperature Generated heat power per unit volume Q d : QQ dd rr = ωωεε 0 2 Im εε rr(rr, ωω) EE(rr, ωω) 2, εε rr (rr, ωω) is the relative permittivity, εε 0 is the permittivity of vacuum, ωω is the angular frequency of the laser, EE(rr, ωω) is the electric field. To obtain the electric field, we numerically solved (COMSOL) μ 1 rr EE(rr, ωω) KK 2 εε rr rr, ωω jjjj EE(rr, ωω) = 0 ωωεε 0 μ rr is the relative permeability, KK the wave number, σσ the electrical conductivity. Average heat power density of the entire structure: Q s = 2PP 0 ππωω zz 2 QQ dd rr ddrr IIII ee 2rr zz 2 /ωω zz 2, P 0 is the laser power incident on the sample chamber, ωω zz the beam radius, I the intensity of the incoming plane wave, V the volume of the structures, rr zz the distance from each point to the centre of the nano-structure.

18 Solving the heat transfer model with the FEM The steady-state temperature distribution TT rr was described by the static Poisson equation κκ rr TT rr = QQ ss (rr), where κκ rr is the position dependent thermal conductivity, QQ ss (rr) is the heat power density obtained by solving the plasmonic model, κκ rr for 30 nm Au = 91.6 WW/(mm KK) κκ rr for 20 nm Ti = 1.3 WW/(mm KK). The heat transfer model was solved by FEM taking into account the geometry of the structure. Simple 1/r prediction, Goldberg 1957 Ma, Tian, Pello, Bendix, Oddershede, Nano Letters vol. 14 p.612 (2014) a b Temperature distribution (K) Temperature distribution (K) Line profile (nm)

19 Au(30nm)/Ti(20nm) discs versus triangles Triangles and discs had identical volumes, the radii of discs 1, 2, 3, and 4 are: 100 nm, 200 nm, 250 nm, and 300 nm. a Temperature (K) y (µm) b a+b) Steady-state temperature profiles of irradiated discs and triangles composed of Ti and Au. c+d) Measured (solid symbols) and simulated (hollow symbols, e dashed lines) radii of the melted fingerprints for irradiated (c) discs and (d) triangles. e+f) Temperature increases. c Temperature Rise (Κ) Radius (µm) Power (mw) Size Size Power (mw) d f Radius (µm) Temperature Rise (Κ) Power (mw) Size Size Power (mw)

20 Bekæmpelse af cancer med laser induced medicin frigivelse microrna: korte RNA molekyler (~22 nucleotider). Silencer eller ødelægger gener. Ide: Opvarmning af AuNP indtil brintbindingerne Smelter og den komplementære streng frigives. Temperatur: ~58 C.

21 Frigivelse af mirna fra VARME nanopartikler 80 nm Au 100 nm Au 150 nm Au Florentsen, West, Danielsen, Semsey, Bendix, Oddershede Langmuir 2018

22 Frigivelse af mirna indeni levende celler Average of n=13 experiments laser Florentsen, West, Danielsen, Semsey, Bendix, Oddershede, Langmuir 2018

23 Check af mirna funktionalitet med turbo-gfp 1 Cells expressing T-GFP are incubated with Au-siRNA complexes 2 Complexes are irradiated with the laser 3 sirna is released 4 T-GFP signal will decrease if sirna is functional LASER Time 0 h 2.5 h 20.5 h Konklusion: sirna er stadig aktivt efter frigivelse

24 Optical Tweezers Group Opvarmning af cancer celler Akilleshæl for cancer celler: De tåler opvarmning dårligere end normale, sunde celler. Ide: Anvende metalliske laser opvarmede nanopartikler til at slå cancer celler ihjel, også dem med stam-celle egenskaber

25 Optical Tweezers Group Stamceller og cancer Indenfor en tumor eksisterer en stor cancer celle variation. Ny viden: I en tumor eksisterer få celler, som har stam celle lignende egenskaber, de kan gendanne sig selv for evigt og kan udvikle sig til enhver type specialiseret celle. Almindelige cancer celler kan skabe problemer, men kan ikke opretholde et angreb på kroppen i lang tid. Derfor formoder man, at cancer progression, specielt de aggressive typer, primært drives af en lille population af stam celler. Dette betyder, at kvaliteten af en cancer terapi ikke skal måles på, hvor MANGE celler, der slås ned, men om CANCER STAMCELLERNE slås EFFEKTIVT ned...

26 Princippet bag plasmonisk nanopartikel terapi 3

27 Termo-plasmonisk cancer terapi Humane cancere induceres I mus med nedtrykt immune forsvar Laser ødelæggelse af en celle. Udenfor cellen: grøn I celle: sort AuNPs: rød

28 Opkoncentration af AuNPs omkring en tumor Enhanced Permeability and Retention Effect (EPR) Simpel injektion Optimal partikel diameter: nm

29 Strategi for plasmonisk cancer terapi

30 In vitro screening af mest lovende NPs Vi screenede guld nanoskaller og sfæriske guld nanopartikler med d=80 nm og d=150 nm Guld nanoskaller klarede sig bedst i disse assays 5 x particles/ml 5 x 10 8 particles/ml

31 Minimering af tumorer i levende mus med 80 nm guld PET før PET efter CT efter kontrol før kontrol efter Reduktionen i PET signalet fra den behandlede mus viser en klar minimering af tumoren.

32 Behandlings effekt NS + laser Saline + laser NS alone Skin temperature Laser intensiten var så lav, at ingen mus fik vabler eller andre synlige skader. I nogle tilfælde faldt tumoren helt af, total helbredelse. Guld nano-skallerne virker mest effektive. Men de er for store (150 nm) til EPR levering.

33 In vivo tumor fordeling af nanopartikler De lyse områder viser hvor nanopartiklerne er i tumorerne. Både i de små tumorer (venstre) og store tumorer er der mange nanopartikler, som er homogent fordelt, dog med flest i rand områderne og langs blodårer. Model system: mus tarmkræft

34 Optical Tweezers Group Jagt på bedre partikler: Platin? Periodisk system: Pt 78, Au 79 (overgangs metaller) 70 nm Pt 150 nm Guld nanoskaller belyst Ved betråling ødelægges guld nanoskallerne. Pt er bedre, også størrelsesmæssigt

35 Toksikologi test of platin partikler Control Pt 70 (70 µg/ml) Pt50 (70 µg/ml) NS (70 µg/ml) Pt partikler er lige så toksiske som guld nanoskaller, som er FDA godkendte.

36 Perspektivering Grænselandet mellem klassiske discipliner er grobund for nye ideer. Eksempel: samarbejdet mellem Niels Bohr, George de Hevesy og August Krogh. Resultatet var 3 nobelpriser og etableringen af NOVO koncernen. biologi medicin fysik På Niels Bohr Institutet har byggede vi i 1999 Skandinaviens første optiske pincet. Denne er f.eks. brugt til optisk at fange metalliske nanopartikler og undersøge disses opvarmning I et samarbejde mellem fysikere og medicinere udvikles en ny nanopartikel baseret cancer terapi, som målrettes mod cancere, der er svære at nå vha konventionel terapi, specielt mod cancer stam celler, der pt ikke kan targeteres vha konventionel terapi, fx i glioblastoma.

37 Tak til: Optical Tweezers gruppen, Niels Bohr Institutet, KU: Poul Martin Bendix Liselotte Jauffred Haiyan Ma Christine Ritter Ann-Katrine Vransøe West Henrik Klingberg DTU Kirstine Berg-Sørensen Panum, KU: Andreas Kjær Kamilla Nørregaard Jesper Trankjær Se mere på