Gold nanoparticles for cancer radiotherapy: a review

Abstract

Radiotherapy is currently used in around 50% of cancer treatments and relies on the deposition of energy directly into tumour tissue. Although it is generally effective, some of the deposited energy can adversely affect healthy tissue outside the tumour volume, especially in the case of photon radiation (gamma and X-rays). Improved radiotherapy outcomes can be achieved by employing ion beams due to the characteristic energy deposition curve which culminates in a localised, high radiation dose (in form of a Bragg peak). In addition to ion radiotherapy, novel sensitisers, such as nanoparticles, have shown to locally increase the damaging effect of both photon and ion radiation, when both are applied to the tumour area. Amongst the available nanoparticle systems, gold nanoparticles have become particularly popular due to several advantages: biocompatibility, well-established methods for synthesis in a wide range of sizes, and the possibility of coating of their surface with a large number of different molecules to provide partial control of, for example, surface charge or interaction with serum proteins. This gives a full range of options for design parameter combinations, in which the optimal choice is not always clear, partially due to a lack of understanding of many processes that take place upon irradiation of such complicated systems. In this review, we summarise the mechanisms of action of radiation therapy with photons and ions in the presence and absence of nanoparticles, as well as the influence of some of the core and coating design parameters of nanoparticles on their radiosensitisation capabilities.

Emerging Nanotechnology and Advanced Materials for Cancer Radiation Therapy

“…[2][3][4] In current clinical cancer therapy, half of all cancer patients will be treated with RT either alone or combined with other types of therapies. [4] In general, RT falls into two categories: external beam radiotherapy (EBRT) and internal radioisotope therapy (RIT). [4] In general, RT falls into two categories: external beam radiotherapy (EBRT) and internal radioisotope therapy (RIT).…”

“…For EBRT, radiation beams such as high-energy x-rays, electron or proton beams from outside the body are placed directly onto tumors to induce cancer cell death. [2,[4][5][6][7][13][14][15][16] Despite the wide use of RT for cancer treatment, it still has many shortcomings. [7][8][9][10][11][12] While EBRT has been extensively employed for treatment of local solid tumors such as breast, colorectal, esophageal, head and neck, lung, prostate, and brain tumors, RIT can be used to treat both local tumors as well as metastatic tumors spread throughout the body.…”

Arany és ezüst nanorészecskék sejtbiológiai hatásainak vizsgálata p53 deficiens rákos sejtekben és tumor metasztázis modellben

“…proton) juttatnak a tumoros szövetbe, ami visszafordíthatatlan károsodásokat okoz a rákos sejtekben [114]. A sejtekbe jutott fotonok vagy ionok képesek közvetlenül is kárt okozni a DNS szerkezetében, de előidézik különböző reaktív gyökök képződését is, melyek tovább károsítják a tumorsejtek DNS állományát.…”

“…Jelenleg az egészséges szövetek károsodását úgy próbálják csökkenteni, hogy a tumoros szövetet több szögből sugarazzák be és a tumor ezeknek a sugaraknak a keresztmetszetébe esik. Ilyen módon a rákos szövetet magasabb dózisú károsító hatás éri, míg az egészséges szövetek csak kisebb dózisban részesülnek [114]. Az egészséges szövetek károsodását csökkentheti számos tumorsejt szelektív, radioszenzitizáló vegyület használata.…”

“…A folyamat során egy kaszkád alakul ki, aminek hatására sokszorozódik a nanorészecskéből felszabaduló reaktív elektronok mennyisége. Az így felszabadult elektronok később, más nanorészecskékben is kiválthatnak elektron felszabadulást, vagy abszorbeálódhatnak a környező biológiai médiumban, és ezáltal ionizációt vagy szabadgyök képződést okozhatnak, így a sejtek károsodását eredményezik [114,115,189]. Az arany nanorészecskék radioszenzitizáló hatását számos in vivo tumor modellben megerősítették már [190].…”