Nanostraws leverer molekyler til menneskelige celler sikkert og effektivt

Forskere kan designe det perfekte molekyle til at redigere et gen, behandle kræft eller vejlede udviklingen af ​​en stamcelle, men intet af det vil have betydning i sidste ende, hvis de ikke kan få deres molekyler ind i de menneskelige celler, de vil manipulere. Løsningen på det problem, beskrevet i en undersøgelse offentliggjort 31. oktober i Videnskab fremskridt , kunne være minimale nanostråge, bittesmå glaslignende fremspring, der stikker lige så små huller i cellevægge for at levere deres last.

Et team ledet af Nicholas Melosh, lektor i materialevidenskab og teknik, begyndte først at teste nanostraws for omkring fem år siden ved hjælp af relativt hårde cellelinjer afledt af kræft, museceller og andre kilder. Nu, Melosh og kolleger har også vist, at teknikken virker i menneskelige celler, et resultat, der kunne fremskynde medicinsk og biologisk forskning og en dag kunne forbedre genterapi for øjensygdomme, immunsystem eller kræft.

"Det, du ser, er et stort skub til genterapi og kræftimmunterapi, "sagde Melosh, som også er medlem af Stanford Bio-X, Stanford ChEM-H og Wu Tsai Neurosciences Institute, men eksisterende teknikker er ikke udfordringen med at levere materialer til alle de relevante menneskelige celletyper, især immunceller. "De er virkelig hårde i forhold til næsten alle andre celler, som vi har håndteret, " han sagde.

Kryds cellemembranen

Ideen om at transportere kemikalier hen over cellemembranen og ind i selve cellen er ikke ny, men der er en række problemer med de metoder, forskere indtil nu har påberåbt sig. I en fælles metode, kaldet elektroporation, forskere bruger en elektrisk strøm til at åbne huller i cellevægge, hvorigennem molekyler som DNA eller proteiner kan diffundere igennem, men metoden er upræcis og kan dræbe mange af de celler, forskere forsøger at arbejde med.

I en anden metode, forskere bruger vira til at bære molekylet af interesse over en cellevæg, men selve virussen bærer risici. Selvom der er lignende metoder, der erstatter vira med mere godartede kemikalier, de er mindre præcise og effektive.

Sådan var situationen indtil for bare fem -seks år siden, da Melosh og kolleger fandt på en ny måde at få molekyler ind i celler, baseret på Meloshs ekspertise inden for nanomaterialer. De ville bruge elektroporation, men gør det på en langt mere præcis måde med nanostraws, som på grund af deres relativt lange, smal profil hjælper med at koncentrere elektriske strømme til et meget lille rum.

På det tidspunkt, de testede den teknik på dyreceller, der sad oven på en seng af nanostrå. Da de tændte en elektrisk strøm, nanostraws åbnede lillebitte, regelmæssigt store porer i cellemembranen - nok til at molekyler kan komme ind, men ikke nok til at gøre alvorlig skade.

Den elektriske strøm tjente også et andet formål. I stedet for at vente på, at molekyler tilfældigt flyder gennem de nyåbnede porer, strømmen trak molekyler lige ind i cellen, øge hastigheden og præcisionen i processen. Spørgsmålet på det tidspunkt var, om teknikken ville være lige så effektiv på den slags humane celler, som klinikere skulle manipulere for at behandle sygdomme.

Hurtigere, Sikrere, Mere præcist

I det nye papir, Melosh og team viste, at svaret var ja - de leverede med succes molekyler i tre humane celletyper samt musens hjerneceller, som alle havde vist sig vanskelige at arbejde med tidligere.

Hvad mere er, metoden var mere præcis, hurtigere og sikrere end andre metoder. Nanostraw -teknikken tog kun 20 sekunder at levere molekyler til celler, sammenlignet med dage for nogle metoder, og dræbte færre end ti procent af cellerne, en stor forbedring i forhold til standard elektroporering.

Melosh og hans laboratorium arbejder nu på at teste nanostraw -metoden i nogle af de sværeste at arbejde med celler rundt omkring, menneskelige immunceller. Hvis de lykkes, det kan være et stort skridt ikke kun for forskere, der ønsker at ændre celler til forskningsformål, men også for læger, der ønsker at behandle kræft med immunterapi, som lige nu indebærer at ændre en persons immunceller ved hjælp af virale metoder. Nanostraws ville ikke kun undgå denne fare, men kunne muligvis fremskynde immunterapiprocessen og reducere omkostningerne, såvel, Sagde Melosh.