Kan vi bekæmpe kræft med magneter?

Magneter mod kræft lyder måske som en alternativ behandlingsmetode.

Men ikke desto mindre kan nanomagneter af jernoxid måske bruges som et supplement til strålebehandling og kemoterapi i kampen mod kræfttumorer.

Teknikken hedder magnetisk hypertermi og går ud på at sprøjte magnetiske nanopartikler ind i kræfttumorer og opvarme dem, så cellerne i tumoren beskadiges eller dør.

Magnetisk hypertermi som behandlingsteknik er stadig på et meget tidligt stadie, men er dog nået så langt, at et tysk firma, Mag-Force AG, har fået CE-godkendt deres behandling i EU og udbyder behandling rettet mod tumorer i hjernen kommercielt flere steder i Tyskland.

De arbejder også på at få udvidet behandlingen til prostatakræft samt at få godkendt deres behandling i USA.

Men der er altid plads til forbedring, og derfor er forskere rundt omkring i verden, blandt andet vi på DTU Fysik, i gang med at undersøge, om de magnetiske nanopartikler kan optimeres.

For eksempel ved at samle dem i små 'clusters' kaldet multikerne-nanopartikler, så den samme mængde magnetisk materiale kan give en større opvarmningseffekt.

Ved hjælp af computersimulationer har vi modelleret forskellige multikerne-nanopartikler og fundet ud af, at der faktisk er en sammenhæng mellem, hvordan de er udformet, og hvor stor den teoretiske opvarmningseffekt er.

\ Læs mere

Saltvand kan forvandles til drikkevand med nanorør

Målrettet opvarmning af nanopartikler

Et magnetfelt, som med meget høj frekvens skifter retning, bruges til at opvarme de magnetiske nanopartikler i tumoren. Patienten placeres i en stor elektromagnet, hvis kombination af magnetfeltstyrke og frekvens i sig selv er ufarlig for mennesker.

Men i samspil med nanopartiklerne opstår der en opvarmningseffekt, der rammer lokalt omkring nanopartiklerne. Figur 1 viser en skitse af forløbet.

Der er udfordringer inden for flere fagområder. For os fysikere handler det om at forstå og optimere opvarmningseffekten fra nanopartiklerne inden for de magnetfeltstyrker og frekvenser, som mennesket tåler, og inden for den mængde nanopartikler, der kan sprøjtes ind i kræfttumoren.

I det tyske firmas behandlingsmetode injicerer man nanopartiklerne direkte i tumoren, hvor de forbliver under hele behandlingen. Men andre firmaer og forskningsgrupper undersøger forskellige måder at opkoncentrere nanopartiklerne i en tumor, for eksempel ved at behandle nanopartiklernes på en måde, så de kun optages af tumoren efter at være kommet i blodforsyningen.

Af hensyn til behandlingen er der ide i at finde magnetiske nanopartikler, der kan skabe mere varme med den samme mængde partikler. Udfordringerne for medicinerne er, hvordan nanopartiklerne kan finde vej til tumoren, og hvorvidt de nanopartikler, man bruger, helt kan udelukkes at have skadelige virkninger for det raske væv.

Fordelen ved teknikken er til gengæld, at hvis man kan begrænse nanopartiklerne til det syge væv, vil opvarmningseffekten være stærkest der. Rask væv uden nanopartikler vil kun opvarmes sekundært.

Der er forskellige grader af opvarmning; hvor en svag temperaturstigning svækker tumoren, så den har sværere ved at regenerere i forbindelse med kemo- og stråleterapi, kan højere temperaturer direkte slå kræftceller ihjel.

I det tyske firmas behandlingsmetode injicerer man nanopartiklerne direkte i tumoren. Men der forskes i forskellige måder at koncentrere nanopartiklerne i en tumor, for eksempel ved at behandle nanopartiklernes på en måde, så de kun optages af tumoren efter at være kommet i blodforsyningen.

\ Læs mere

Hvordan fungerer nanoskopi egentlig?

Fysikken bag hypertermi

Magnetisk hypertermi kan sammenlignes med et forsøg fra fysiktimerne, hvor man magnetiserer et savblad, der ikke er magnetisk, ved at stryge i én retning med en magnet.

Konsekvensen vil være, at savbladet selv bliver magnetisk, og man kan også bytte rundt på nord- og sydpolen ved at stryge den modsatte vej med magneten. Hvis man bliver ved med at bytte rundt på polerne, vil man opleve, at savbladet bliver varmere.

Effekten af en magnetisk nanopartikel i et magnetfelt, der skifter retning, vil være den samme, nemlig en opvarmning af partiklen og dermed dens omgivelser.

Fysikerne arbejder på at finde ud af, hvilke nanopartikler der opvarmes mest effektivt, og forskere i Frankrig har i eksperimenter vist, at multikerne-nanopartikler i nogle tilfælde er mere effektive sammenlignet med de samme nanopartikler hver for sig.

Der arbejdes også på at forstå, hvorfor eksempelvis multikerne-nanopartikler i nogle tilfælde er mere effektive, samt helt generelt hvilke mekanismer der er vigtige for, at nanopartiklerne kan opvarmes. På den måde kan nanopartiklerne potentielt tilpasses til at være mere effektive.

Nanopartikler formet i geometriske figurer

På DTU Fysik arbejder jeg i mit ph.d.-projekt med en computermodel for bedre at forstå, præcist hvordan multikerne-nanopartiklernes egenskaber adskiller sig fra almindelige nanopartiklers.

Først har jeg undersøgt tilfældet, hvor hver kerne er en magnetisk dipol (en 'matematisk' stangmagnet), der sidder i hvert sit hjørne af geometriske figurer såsom trekantede pyramider (tetraeder), kuber, 'fodbolde' (dodekaeder) og lignende.

Computermodellen kan så udregne, hvor magnetiske multikerne-nanopartiklerne bliver, når de indstiller sig efter hinandens magnetfelter, ligesom en kompasnål indstiller sig efter Jordens magnetfelt og peger mod nord.

Selvom det er en meget simpel model, er resultaterne faktisk overraskende. Det viser sig nemlig, at de modellerede dipoler i visse geometriske figurer slet ikke bliver magnetiske, fordi de individuelle dipoler peger i modsatte retninger og tilsammen ophæver hinanden.

Hvis hver dipol er magnetisk med styrken 1, så svarer det altså til at 1 + 1 + 1 + 1 + . . . = 0. Den måde, dipolerne ophæver hinanden, kan ses i figur 2, hvor dipolerne er repræsenteret ved de tre blå pile, der lagt sammen ikke 'peger nogen steder hen'.

Det kalder vi for en fluxlukket ring.

Central dipol skaber magnetismen

I de tredimensionelle geometriske figurer kan man se, at dipolerne arrangerer sig i lag, hvor de ophæver hinanden i fluxlukkede ringe. I eksempelvis kuben, der har 8 dipoler i alt, vil de 4 øverste dipoler blive til ét lag, mens de 4 nederste dipoler vil blive til et andet lag, og ingen af de to lag er magnetiske. Det kan ses i figur 3A.

Men når der dannes fluxlukkede ringe, bliver multikerne-nanopartiklerne dårligere til at opvarme, hvilket jo taler imod de eksperimentelle resultater, der viser det modsatte. Men hvis vi tilføjer en enkelt dipol til kuben, lige præcis i midten som vist i figur 3B, bliver kuben pludselig magnetisk.

Det er den enkelte dipol i midten, der ikke ophæves af de andre dipoler – og oven i købet trækker de andre dipoler i sin retning, så den samlede magnetisme bliver større end den dipol, vi tilføjede.

Vi kan denne gang sige, at 0 + 1 ≈ 2. Og hvis man påvirker denne figur med et varierende magnetfelt i computermodellen, vil man se, at de enkelte dipoler ikke kan følge feltet helt på grund af dipolen i midten.

Denne forsinkelse, hysterese, ved man, er én af mekanismerne til at opvarme såvel savbladet fra eksemplet som nanopartiklerne til hypertermi.

Multikernepartikler kan blive nyt kræftvåben

Her har vi måske en del af forklaringen på, at multikerne-nanopartikler kan være bedre end de enkelte nanopartikler til at varme op, hvis de på samme måde har en enkelt kerne i centrum.

Vores computermodel viser i hvert fald, at tilføjelsen af én enkelt dipol kan have en stor betydning, hvis man vel og mærke placerer den det rigtige sted.

Med den viden kan fysikere arbejde på at specialdesigne multikerne-nanopartikler ved at ændre på størrelse, placering og materiale af de individuelle nanopartikler og skabe multikerne-nanopartikler specielt egnede til hypertermi.

Målet er at give medicinske forskere, der arbejder med hypertermi, et større udvalg af nanopartikler, der kan skabe mere varme inden for de magnetfelter, som mennesker kan tåle.

På sigt kan det betyde, at magnetisk hypertermi bliver endnu et værktøj i lægernes kamp mod forskellige kræftsygdomme.

Mathias Kure har for nylig forsvaret sin ph.d.-afhandling på DTU, der netop handler om klynger af magnetiske nanopartikler.

\ Læs mere

Nanoteknologi og nanoscience – den næste industrielle revolution?

\ Læs mere

Hils på en kanin i nanostørrelse - skabt af DNA-teknologi