Rozwój nanocząsteczek, które są zdolne do wykrywania, namierzania i niszczenia komórek rakowych, jest bardzo interesujący zarówno dla fizyków, jak i badaczy biomedycznych. Pojawienie się nanomedycyny doprowadziło do opracowania kilku nanocząstek, takich jak te sprzężone z ligandami celującymi i/lub lekami chemioterapeutycznymi1,2,3. Dodane właściwości nanocząstek umożliwiają ich interakcję z systemem biologicznym, wykrywanie i monitorowanie zdarzeń biologicznych z wysoką wydajnością i dokładnością wraz z zastosowaniami terapeutycznymi. Nanocząstki złota i tlenku żelaza są stosowane głównie w zastosowaniach związanych z tomografią komputerową i rezonansem magnetycznym. Podczas gdy aktywność enzymatyczna nanocząstek złota i tlenku żelaza pozwala na wykrywanie komórek rakowych za pomocą testów kolorymetrycznych, nanocząstki fluorescencyjne dobrze nadają się do zastosowań w obrazowaniu in vivo4. Wśród nich szczególnie korzystne są ultrajasne nanocząstki fluorescencyjne, ze względu na ich zdolność do wczesnego wykrywania nowotworów przy mniejszej liczbie cząstek i zmniejszonej toksyczności5.
Pomimo tych zalet, nanocząstki wymagają eksperymentów z wykorzystaniem modeli zwierzęcych in vivo w celu wyboru odpowiednich nanomateriałów i optymalizacji procesu syntezy. Ponadto, podobnie jak leki, nanocząstki opierają się na modelach zwierzęcych do badań przedklinicznych w celu określenia ich skuteczności i toksyczności. Najczęściej stosowanym modelem przedklinicznym jest mysz, która jest ssakiem, którego utrzymanie wiąże się ze stosunkowo wysokimi kosztami. Do badań nad rakiem zwykle używa się myszy modyfikowanych genetycznie lub myszy ksenoprzeszczepionych6,7. Czas trwania tych eksperymentów często wynosi od tygodni do miesięcy. W szczególności w przypadku badań nad przerzutami nowotworowymi komórki rakowe są bezpośrednio wstrzykiwane do układu krążenia myszy w miejscach takich jak żyły ogonowe i śledziona8,9,10. Modele te reprezentują tylko końcowe etapy przerzutów, gdy komórki nowotworowe wynaczyniają się i kolonizują odległe narządy. Ponadto, ze względu na problemy z widocznością, szczególnie trudne jest monitorowanie migracji komórek nowotworowych i celowanie w nanocząstki komórek nowotworowych u myszy.
Danio rerio danio pręgowany (Danio rerio) stał się potężnym systemem kręgowców do badań nad rakiem ze względu na swoją wysoką płodność, niski koszt, szybki rozwój, przejrzystość optyczną i ochronę genetyczną11,12. Kolejną przewagą danio pręgowanego nad modelem mysim jest zapłodnienie jaj ryb ex utero, co pozwala na monitorowanie zarodków przez cały okres ich rozwoju. Rozwój embrionalny u danio pręgowanego jest szybki, a w ciągu 24 godzin po zapłodnieniu (hpf) płaszczyzna ciała kręgowców już się uformowała13. Do 72 hpf jaja wykluwają się z kosmówki, przechodząc z etapu embrionalnego do narybku. Przezroczystość danio pręgowanego, w szczególności szczepu Casper14, daje wyjątkową okazję do wizualizacji migracji komórek rakowych oraz ich rozpoznawania i celowania przez nanocząstki u żywego zwierzęcia. Wreszcie, danio pręgowany rozwija swój wrodzony układ odpornościowy o 48 hpf, przy czym adaptacyjny układ odpornościowy pozostaje w tyle i staje się funkcjonalny dopiero po 28 dniach od zapłodnienia15. Ta luka czasowa jest idealna do przeszczepiania różnych typów ludzkich komórek rakowych do zarodków danio pręgowanego bez doświadczania odrzucenia immunologicznego.
Opisana tutaj jest metoda, która wykorzystuje przejrzystość i szybki rozwój danio pręgowanego, aby zademonstrować rozpoznawanie i celowanie w ludzkie komórki rakowe za pomocą fluorescencyjnych nanocząsteczek in vivo. W tym teście ludzkie komórki raka szyjki macicy (komórki HeLa) genetycznie zmodyfikowane w celu ekspresji białka czerwonej fluorescencji zostały wstrzyknięte do unaczynionego obszaru w jamie okołopęcherzowej 48 zarodków hpf. Po 20-24 godzinach komórki HeLa rozprzestrzeniły się już po zarodkach przez układ krążenia ryb. Zarodkom z widocznymi przerzutami wstrzyknięto mikroiniekcję ~0,5 nL roztworu nanocząstek bezpośrednio za okiem, gdzie znajduje się bogate łożysko kapilarne. Korzystając z tej techniki, ultrajasne fluorescencyjne nanocząstki krzemionki mogą celować w komórki HeLa już po 20-30 minutach od wstrzyknięcia. Ze względu na swoją prostotę i skuteczność, danio pręgowany stanowi solidny model in vivo do testowania różnych nanocząstek pod kątem ich zdolności do celowania w określone komórki rakowe.