Využití nízkých koncentrací zlatých nanočástic pro radioterapii: komplexní pohled na jejich účinky

Ing. Lucie Toufarová, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Navzdory pokroku některé nádory odolávají radioterapii kvůli vysoké radiorezisten-ci či lokalizaci blízko vitálních struktur. Zlaté nanočástice (GNP) představují slibné radiosenzitizátory, ale mechanizmy účinku – zejména vliv (ozářených) GNP na po-škození a opravu DNA – nejsou vyjasněny. Na modelu buněk karcinomu prsu SkBr3 jsme testovali velmi nízké koncentrace 10nm GNP v kombinaci s ozářením fotony gama (60Co) nebo rentgenovým zářením (6 MV). Pomocí konfokální 3D mikroskopie a lokalizační mikroskopie (SMLM) jsme sledovali tvorbu, kinetiku opravy a perzis-tenci dvouřetězcových zlomů DNA (DSB) na mikro- i nanoúrovni. Buňky jsme inku-bovali s GNP, ozářili dávkami 1–4 Gy a analyzovali v čase 0,5–24 h po expozici (PI). DSB jsme kvantifikovali jako kolokalizující ohniska markerů γH2AX a 53BP1 a hod-notili i jejich morfologii a změny chromatinu. GNP mírně, avšak statisticky významně, zvýšily počty zářením indukovaných ohnisek γH2AX/53BP1 v 0,5 h PI a zvýšily i je-jich perzistenci ve 24 h PI; současně však urychlily opravu DSB. Tyto protichůdné efekty ukazují na paralelní děje v jádře i cytoplazmě. Vyšší počty ohnisek v 0,5 h PI spíše odrážejí expanzi radiosenzitivní subpopulace G2 vyvolanou GNP než zvýšenou indukci poškození DNA. Perzistence ohnisek ve 24 h PI může vyplývat ze vzniku hůře opravitelných komplexních lézí; nelze vyloučit, že rychlejší oprava zvyšuje chybovost a/nebo vede k trvalejší remodelaci chromatinu s retencí γH2AX/53BP1. Urychlení opravy zřejmě souvisí se zářením indukovanou relaxací chromatinové sítě, výrazněj-ší v přítomnosti GNP, která usnadňuje přístup reparačních proteinů k DSB. GNP sou-časně snižovaly postradiační kondici a viabilitu buněk ve větší míře, než vysvětluje perzistence DSB. Radiosenzitizace pomocí GNP je tedy výsledkem interakce více bu-něčných procesů; kromě fyzikální složky má významnou složku biologickou, kterou je třeba dále zkoumat pro maximalizaci terapeutického efektu.

Abstract:

Despite major advances, some tumors remain resistant to radiotherapy due to in-trinsic radioresistance or proximity to critical structures. Gold nanoparticles (GNPs) are promising radiosensitizers, yet their mechanisms—particularly how irradiated GNPs influence DNA damage and repair—remain unclear. Using SkBr3 breast cancer cells, we tested very low concentrations of 10-nm GNPs combined with γ-photons (^60Co) or 6 MV X-rays. DNA double-strand breaks (DSBs) were analyzed at micro- and nanoscale by confocal 3D and single-molecule localization microscopy (SMLM). Cells incubated with GNPs were irradiated (1–4 Gy) and examined 0.5–24 h post-irradiation (PI). DSBs were quantified as colocalizing γH2AX/53BP1 foci, with ad-ditional analysis of foci morphology and chromatin effects. GNPs modestly but significantly increased radiation-induced γH2AX/53BP1 foci at 0.5 h PI and their persistence at 24 h PI, while simultaneously accelerating DSB repair. These opposing effects suggest parallel nuclear and cytoplasmic processes. The early increase in foci likely reflects GNP-induced expansion of the radiosensitive G2-phase cell subpopulation rather than higher DNA damage induction. Persistent foci at 24 h PI may arise from a few complex, hard-to-repair lesions; accelerated re-pair could also elevate error rates or prolong chromatin remodeling. The enhanced repair appears linked to radiation-induced chromatin relaxation, more pronounced with GNPs, facilitating repair protein access to DSBs. GNPs also reduced post-irradiation fitness and viability of SkBr3 cells beyond what persistent DSBs alone explain. Thus, GNP-mediated radiosensitization results from multiple interacting physical and biological processes, warranting further investigation to maximize therapeutic benefit.

Klíčová slova

léčba rakoviny, ionizující záření, zlaté nanočástice, nádorové buněčné linie, radioterapie, radiosensitizace, cancer therapy, ionizing radiation, gold nanoparticles, cancer cell lines, radiotherapy, radiosensitization

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 8. 10. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 13. 11. 2025
• Vedoucí: doc. RNDr. Martin Falk, Ph.D.
• Oponent: doc. Ing. Ivan Štekl, CSc., prof. MUDr. Leoš Navrátil, CSc., MBA, dr. h. c., plk. gen. št. prof. MVDr. Zuzana Šinkorová, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Genomika a proteomika / Genomika a proteomika