Forskere skaber nano-bot til at sondere inde i menneskelige celler

University of Toronto Engineering forskere har bygget et sæt magnetiske 'pincet', der kan placere en perle i nanoskala inde i en menneskelig celle i tre dimensioner med hidtil uset præcision. Nano-botten er allerede blevet brugt til at studere egenskaberne af kræftceller, og kunne vise vejen mod forbedret diagnose og behandling.

Professor Yu Sun og hans team har bygget robotter, der kan manipulere individuelle celler i to årtier. Deres kreationer har evnen til at manipulere og måle enkeltceller - nyttige i procedurer som in vitro fertilisering og personlig medicin. Deres seneste undersøgelse, offentliggjort i dag i Videnskab robotik , tager teknologien et skridt videre.

"Indtil nu, vores robot har udforsket uden for en bygning, røre murstensvæggen, og prøver at finde ud af, hvad der foregår indeni, " siger Sun. "Vi ønskede at installere en robot i bygningen og undersøge alle rum og strukturer."

Holdet har skabt robotsystemer, der kan manipulere subcellulære strukturer inde i elektronmikroskoper, men det kræver, at cellerne frysetørres og skæres i små skiver. At sondere levende celler, andre hold har brugt teknikker som laser eller akustik.

"Optisk pincet - ved hjælp af lasere til at sondere celler - er en populær tilgang, " siger Xian Wang, ph.d. kandidat, der har udført undersøgelsen. Teknologien blev hædret med 2018 Nobelprisen i fysik, men Wang siger, at den kraft, den kan generere, ikke er stor nok til mekanisk manipulation og måling, han ønskede at udføre.

"Du kan prøve at øge kraften for at generere højere kraft, men du risikerer at beskadige de subcellulære komponenter, du prøver at måle, " siger Wang.

Systemet Wang har designet bruger seks magnetspoler placeret i forskellige planer omkring et mikroskop dækglas frøet med levende kræftceller. En magnetisk jernperle på omkring 700 nanometer i diameter - omkring 100 gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår - er placeret på dækglasset, hvor kræftcellerne nemt optager det inde i deres membraner.

Når perlen er inde, Wang styrer sin position ved hjælp af realtidsfeedback fra konfokal mikroskopi. Han bruger en computerstyret algoritme til at variere den elektriske strøm gennem hver af spolerne, forme det magnetiske felt i tre dimensioner og lokke perlen til en hvilken som helst ønsket position i cellen.

"Vi kan kontrollere positionen inden for et par hundrede nanometer ned til den Brownske bevægelsesgrænse, " siger Wang. "Vi kan udøve kræfter en størrelsesorden højere, end det ville være muligt med lasere."

I samarbejde med Dr. Helen McNeil og Yonit Tsatskis på Mount Sinai Hospital og Dr. Sevan Hopyan på Hospital for Sick Children (SickKids), holdet brugte deres robotsystem til at studere blærekræftceller i tidlige stadier og senere stadier.

Tidligere undersøgelser af cellekerner krævede deres ekstraktion fra celler. Wang og Sun målte cellekerner i intakte celler uden behov for at bryde cellemembranen eller cytoskelettet ad. De var i stand til at vise, at kernen ikke er lige stiv i alle retninger.

"Det er lidt ligesom en fodbold i form - mekanisk, den er stivere langs den ene akse end den anden, " siger Sun. "Vi ville ikke have vidst det uden denne nye teknik."

De var også i stand til at måle præcis, hvor meget stivere kernen blev, når den blev stukket gentagne gange, og bestemme, hvilket eller hvilke celleproteiner der kan spille en rolle i at kontrollere dette respons. Denne viden kunne vise vejen mod nye metoder til diagnosticering af kræft.

"Vi ved, at i cellerne i de senere stadier, den stivnede reaktion er ikke så stærk, " siger Wang. "I situationer, hvor tidlige kræftceller og senere kræftceller ikke ser meget forskellige ud morfologisk, dette giver en anden måde at skelne dem fra hinanden på."

Ifølge Sun, forskningen kunne gå endnu længere.

"Du kunne forestille dig at bringe hele sværme af disse nano-bots ind, og bruge dem til enten at udsulte en tumor ved at blokere blodkarrene ind i tumoren, eller ødelægge det direkte via mekanisk ablation, " siger Sun. "Dette ville tilbyde en måde at behandle kræftformer, der er resistente over for kemoterapi, strålebehandling og immunterapi."

Disse applikationer er stadig langt fra klinisk implementering, men Sun og hans team er begejstrede for denne forskningsretning. De er allerede i gang med tidlige dyreforsøg med Dr. Xi Huang i SickKids.

"Det er ikke helt fantastisk rejse endnu, " han siger, med henvisning til science fiction-filmen fra 1966. "Men vi har opnået en hidtil uset nøjagtighed i positions- og kraftkontrol. Det er en stor del af det, vi skal bruge for at nå dertil, så følg med!"