Præcis præcision:Nanotråde leverer biokemisk nyttelast til én celle blandt mange

(PhysOrg.com) -- Forestil dig at kunne tabe en tandstikker på hovedet af en bestemt person, der står blandt 100, 000 mennesker på et stadion. Det lyder umuligt, alligevel er denne grad af præcision på celleniveau blevet demonstreret af forskere tilknyttet Johns Hopkins University Institute for NanoBioTechnology. Deres undersøgelse blev offentliggjort online i juni i Natur nanoteknologi .

Holdet brugte præcise elektriske felter som "pincet" til at guide og placere guld nanotråde, hver omkring en-to hundrededel på størrelse med en celle, på forudbestemte steder, hver på en enkelt celle. Molekyler, der lagde overfladerne på nanotrådene, udløste derefter en biokemisk kaskade af handlinger kun i cellen, hvor ledningen rørte ved, uden at påvirke andre celler i nærheden. Forskerne siger, at denne teknik kan føre til bedre måder at studere individuelle celler eller endda celledele på, og til sidst kunne producere nye metoder til at levere medicin.

Ja, de teknikker, der ikke er afhængige af denne nye nanotråd-baserede teknologi, er heller ikke særlig præcise, fører til stimulering af flere celler, eller kræver komplekse biokemiske ændringer af cellerne.

Med den nye teknik kan forskerne bl. for eksempel, målceller, der har kræftegenskaber (højere celledelingshastighed eller unormal morfologi), mens de skåner deres sunde naboer.

"En af de største udfordringer inden for cellebiologi er evnen til at manipulere cellemiljøet på en så præcis måde som muligt, " sagde hovedefterforsker Andre Levchenko, en lektor i biomedicinsk teknik ved Johns Hopkins' Whiting School of Engineering. I tidligere undersøgelser, Levchenko har brugt lab-on-a-chip eller mikrofluidiske enheder til at manipulere celleadfærd. Men, han sagde, lab-on-a-chip metoder er ikke så præcise, som forskerne gerne vil have dem til at være. "I mikrofluidchips, hvis du ændrer cellemiljøet, det påvirker alle celler på samme tid, " han sagde.

Sådan er det ikke med guld nanotrådene, som er metalcylindre på et par hundrede nanometer eller mindre i diameter. Ligesom den intetanende sportstilskuer kun ville mærke en let berøring fra en tandstikker, der blev tabt på hovedet, cellen reagerer kun på de molekyler, der frigives fra nanotråden på ét meget præcist sted, hvor tråden rører cellens overflade.

Med bidrag fra Chia-Ling Chien, professor i fysik og astronomi ved Krieger School of Arts and Sciences, og Robert Cammarata, en professor i materialevidenskab og teknik i Whiting School, holdet udviklede nanotråde belagt med et molekyle kaldet tumornekrosefaktor-alfa (TNF-alfa), et stof frigivet af patogen-slugende makrofager, almindeligvis kaldet hvide blodlegemer. Under visse cellulære forhold, tilstedeværelsen af ​​TNF-alfa udløser celler til at tænde for gener, der hjælper med at bekæmpe infektion, men TNF-alfa er også i stand til at blokere tumorvækst og standse viral replikation.

Eksponering for for meget TNF-alfa, imidlertid, får en organisme til at gå ind i en potentielt dødelig tilstand kaldet septisk shock, sagde Levchenko.

Heldigvis, TNF-alfa bliver siddende, når det er frigivet fra ledningen til celleoverfladen, og fordi virkningen af ​​TNF-alfa er lokaliseret, den lille smule, der leveres af ledningen, er nok til at udløse den ønskede cellulære respons. Det samme sker, når TNF-alfa udskilles af et hvidt blodlegeme.

Derudover belægningen af ​​TNF-alfa giver nanotråden en negativ ladning, gør ledningen nemmere at manøvrere via de to vinkelrette elektriske felter på "pincetten" en teknik udviklet af Donglei Fan som en del af hendes Johns Hopkins doktorgradsforskning i materialevidenskab og ingeniørvidenskab.

"Den elektriske pincet blev oprindeligt udviklet til at samle, transportere og rotere nanotråde i opløsning, " sagde Cammarata. "Donglei viste derefter, hvordan man bruger pincet til at producere mønstrede nanotrådsarrays samt konstruere nanomotorer og nano-oscillatorer. Dette nye arbejde med Dr. Levchenkos gruppe viser, hvor ekstremt alsidig en teknik det er."

For at teste systemet, holdet dyrkede livmoderhalskræftceller i en skål. Derefter, bruge elektriske felter vinkelret på hinanden, de var i stand til at zappe nanotrådene ind i et forudindstillet sted og plaffe dem ned på et præcist sted. "På denne måde vi kan forudbestemme den vej, som ledningerne vil rejse og levere en molekylær nyttelast til en enkelt celle blandt mange, og endda til en bestemt del af cellen, " sagde Levchenko.

I løbet af denne undersøgelse, holdet fastslog også, at den ønskede effekt genereret af den nanowire-leverede TNF-alfa svarede til den, en celle oplevede i en levende organisme.

Holdmedlemmerne forestiller sig mange muligheder for denne metode til subcellulær molekylelevering.

"For eksempel, der er mange andre måder at udløse frigivelsen af ​​molekylet fra ledningerne:fotofrigivelse, kemisk frigivelse, temperaturudløsning. Desuden, man kunne knytte mange molekyler til nanotrådene på samme tid, " sagde Levchenko. Han tilføjede, at nanotrådene kan gøres meget mindre, men sagde, at til denne undersøgelse blev ledningerne lavet store nok til at se med optisk mikroskopi.

Ultimativt, Levchenko ser, at nanotrådene bliver et nyttigt værktøj til grundforskning.

"Med disse ledninger, vi forsøger at efterligne den måde, celler taler til hinanden på, " sagde han. "De kunne være et vidunderligt værktøj, der kunne bruges i grundlæggende eller anvendt forskning." Ansøgninger om lægemiddellevering kunne være meget længere væk.

Levchenko sagde, "Hvis ledningerne bevarer deres negative ladning, elektriske felter kunne bruges til at manipulere og manøvrere deres position i det levende væv."