Nanomedicin:afsluttende hit og miss design

(PhysOrg.com) - Et af løfterne om nanomedicin er designet af bittesmå partikler, der kan komme ind på syge celler og komme ind i dem. Nanopartikler kan transportere lægemidler ind i celler og mærke celler til MR og andre diagnostiske tests; og de kan i sidste ende endda komme ind i en celles kerne for at reparere beskadigede gener. Desværre, at designe dem involverer lige så meget held som teknik.

"Alt i nanomedicin lige nu er hit-and-miss hvad angår nanopartiklernes biologiske skæbne, " sagde Rice University bioingeniørforsker Jennifer West. "Der er ingen systematisk forståelse af, hvordan man designer en partikel til at opnå et bestemt mål med hensyn til, hvor den går hen i en celle, eller hvis den overhovedet går ind i en celle."

Wests laboratorium og 11 andre i Texas Medical Center - heraf tre på Rice's BioScience Research Collaborative - håber at ændre det, takket være en Grand Opportunity (GO) bevilling på $3 millioner fra National Institutes of Health. NIH etablerede GO-bevillingsprogrammet med finansiering fra American Recovery and Reinvestment Act (ARRA).

Et problem forskerne står over for i dag er, at nanopartikler kommer i mange former og størrelser og kan være lavet af meget forskellige materialer. Nogle nanopartikler er sfæriske. Andre er lange og tynde. Nogle er lavet af biologisk nedbrydelig plast og andre af guld, kulstof eller halvledende metaller. Og nogle gange er størrelse - snarere end form eller materiale - altafgørende.

West demonstrerer dette ved hjælp af en video på hendes computer, der blev skabt af Rice GO-bevillingsefterforskeren Junghae Suh. Filmen blev skabt ved at tage et billede med et mikroskop med få sekunders mellemrum. I videoen, snesevis af partikler bevæger sig inde i en celle. Halvdelen af ​​partiklerne er mærket med et rødt fluorescerende farvestof og bevæger sig meget langsomt. Resten er grønne og lyner fra sted til sted.

"Disse er lavet af det samme materiale og har den samme kemi, " sagde West, Rices Isabel C. Cameron Professor og afdelingsformand for Bioengineering. "De er bare forskellige størrelser. Alligevel kan du se de dybe forskelle i, hvordan de bevæger sig i cellen. Efterhånden som vi begynder at udforske yderligere i rækkevidden af ​​størrelser og i at ændre partiklernes kemi, vi tror, ​​vi sandsynligvis vil se endnu større indvirkninger på, hvor tingene foregår inde i cellen."

Jobbet med at afgøre, om det er tilfældet, falder hos Suh, adjunkt i bioteknik ved Rice. I modsætning til andre undersøgelser på området, som er afhængige af øjebliksbilleder af døde celler, Suhs metode lader forskere spore enkelte partikler i levende celler. Hendes laboratorium vil bruge metoden i side-by-side sammenligninger af partikler leveret af de andre 11 laboratorier i undersøgelsen.

I alt, otte klasser af nanopartikler vil blive undersøgt. Disse omfatter lange, tynde rør af rent kulstof kaldet fullerener, små prikker af halvledere kaldet kvantepunkter, rene guldstænger og kugler, samt nanoshells - nanopartikler opfundet på Rice, der består af en glaskerne dækket af en tynd guldskal. Ud over, Suhs laboratorium vil undersøge organiske partikler lavet af polyethylenglycol og chitosan.

"Vi vil bruge en metode kaldet single-particle tracking til at fange dynamikken i nanopartikelbevægelse i levende celler, " sagde Suh. "Ved at bruge konfokal mikroskopi, vi laver først film af partiklerne, når de transporterer cellerne. Derefter, vi bruger billedbehandlingssoftware til at udtrække oplysninger om, hvor hurtigt de bevæger sig, hvilke regioner de er tiltrukket af, osv. Ved at sammenligne bevægelsen og skæbnen for de forskellige nanopartikler designet af de mange forskningslaboratorier, Vi håber at identificere sammenhænge mellem en nanopartikels fysisk-kemiske egenskaber og deres intracellulære adfærd."

Ved afslutningen af ​​det to-årige studie, teamet håber at have en database, der viser den forventede reaktion af partikler af en given størrelse, type og kemi. Ultimativt, håbet er at give forskerne et værktøj, der kan hjælpe med at forudsige, hvordan en bestemt partikel sandsynligvis vil opføre sig. At, på tur, kunne hjælpe forskere med at fremskynde udviklingen af ​​nye behandlinger for sygdom.

"Vi ønsker at forstå, hvor partiklerne går inde i cellen, hvilke organeller de forbinder med, om de associerer med nogen af ​​cytoskeletstrukturerne og hvordan de bevæger sig inde i cellen, "Sagde Suh." Til forskellige applikationer, du vil have dine partikler hen til forskellige steder. Vi skal vide, hvor de går hen, og hvordan de opfører sig, så vi kan designe den rigtige partikel til et bestemt job."

"Vi er glade for at få muligheden for virkelig at gå sammen om at studere dette, " sagde Suh. "Det er bare den slags problem, der kræver den form for støtte, NIH yder med ARRA-finansiering. Det er et problem, der virkelig kræver en tværfaglighed, interinstitutionel tilgang."

Projektets andre hovedefterforskere inkluderer Rebekah Drezek og Lon Wilson, både af Ris; Mauro Ferrari, Paolo Decuzzi, David Gorenstein, Jim Klostergaard, Chun Li, Gabriel Lopez-Berestein og Anil Sood, hele University of Texas Health Science Center i Houston; og Wah Chiu fra Baylor College of Medicine.

GO-tilskudsfinansiering leveres af NIH's National Institute of General Medical Sciences. NIH etablerede GO-bevillingsprogrammet for at støtte projekter, der henvender sig til store, specifikke forskningsbestræbelser, der sandsynligvis vil levere vækst og investeringer på kort sigt i biomedicinsk forskning og udvikling, offentlig sundhed og levering af sundhedsydelser.

Leveret af Rice University