Med magnetiske nanopartikler, Forskere fjernstyrer neuroner og dyrs adfærd (med video)

(PhysOrg.com) -- Klynger af opvarmede, magnetiske nanopartikler målrettet mod cellemembraner kan fjernstyre ionkanaler, neuroner og endda dyreadfærd, ifølge et papir udgivet af University at Buffalo physicists in Nature Nanotechnology.

Forskningen kunne have bred anvendelse, potentielt resulterer i innovative kræftbehandlinger, der fjernmanipulerer udvalgte proteiner eller celler i specifikke væv, eller forbedrede diabetesbehandlinger, der fjernstimulerer bugspytkirtelceller til at frigive insulin.

Arbejdet kunne også anvendes til udvikling af nye terapier for nogle neurologiske lidelser, som skyldes utilstrækkelig neurostimulering.

"Ved at udvikle en metode, der giver os mulighed for at bruge magnetiske felter til at stimulere celler både in vitro og in vivo, denne forskning vil hjælpe os med at optrevle de signalnetværk, der styrer dyrs adfærd, siger Arnd Pralle, PhD, assisterende professor i fysik i UB College of Arts and Sciences og senior/korresponderende forfatter på papiret.

UB-forskerne viste, at deres metode kunne åbne calciumionkanaler, aktivere neuroner i cellekultur og endda manipulere bevægelserne af den lille nematode, C. elegans.

"Vi målrettede nanopartiklerne i nærheden af ​​det, der er "munden" på ormene, kaldet amfiden, " forklarer Pralle. "Du kan se på videoen, at ormene kravler rundt; når vi tænder for magnetfeltet, som varmer nanopartiklerne op til 34 grader Celsius, de fleste af ormene vender kursen om. Vi kunne bruge denne metode til at få dem til at gå frem og tilbage. Nu skal vi finde ud af, hvilken anden adfærd der kan kontrolleres på denne måde."

Ormene vendte kurs, når deres temperatur nåede 34 grader Celsius, Pralle siger, den samme tærskel, som i naturen fremkalder en undgåelsesreaktion. Det er beviser, han siger, at tilgangen kunne tilpasses til undersøgelser af hele dyr af innovative nye lægemidler.

Metoden, som UB-holdet udviklede, involverer opvarmning af nanopartikler i en cellemembran ved at udsætte dem for et radiofrekvent magnetfelt; varmen resulterer så i at stimulere cellen.

"Vi har udviklet et værktøj til at opvarme nanopartikler og derefter måle deres temperatur, siger Pralle, bemærker, at man ikke ved meget om varmeledning i væv på nanoskala.

"Vores metode er vigtig, fordi den tillader os kun at varme cellemembranen op. Vi ønskede ikke at dræbe cellen, " sagde han. "Mens membranen uden for cellen opvarmes, der er ingen temperaturændring i cellen."

Måler kun seks nanometer, partiklerne kan let diffundere mellem celler. Det magnetiske felt er sammenligneligt med det, der anvendes i magnetisk resonansbilleddannelse. Og metodens evne til at aktivere celler ensartet på tværs af et stort område indikerer, at det også vil være muligt at bruge den i in vivo helkropsapplikationer, rapporterer forskerne.

I samme papir, UB-forskerne rapporterer også deres udvikling af en fluorescerende sonde til at måle, at nanopartiklerne blev opvarmet til 34 grader Celsius.

"Fluorescensintensiteten indikerer ændringen i temperatur, siger Pralle, "det er en slags nanoskalatermometer og kunne give forskere mulighed for lettere at måle temperaturændringer på nanoskala."

Pralle og hans medforfattere er aktive i Molecular Recognition in Biological Systems and Bioinformatics og de Integrated Nanostructure Systems strategiske styrker, identificeret af UB 2020 strategiske planlægningsproces.