Nyt nanoteknologisamarbejde fører til gennembrud inden for kræftforskning

(PhysOrg.com) -- En af de sværeste aspekter ved at arbejde på nanoskala er faktisk at se objektet, der arbejdes på. Biologiske strukturer som vira, som er mindre end lysets bølgelængde, er usynlige for standard optiske mikroskoper og vanskelige at fange i deres oprindelige form med andre billedbehandlingsteknikker.

En multidisciplinær forskergruppe ved UCLA er nu gået sammen om ikke kun at visualisere en virus, men for at bruge resultaterne til at tilpasse virussen, så den kan levere medicin i stedet for sygdom.

I et papir offentliggjort i sidste uge i tidsskriftet Videnskab , Hongrong Liu, en UCLA postdoc forsker i mikrobiologi, immunologi og molekylær genetik, og kolleger afslører en atomisk nøjagtig struktur af adenoviruset, der viser interaktionerne mellem dets proteinnetværk. Arbejdet giver kritisk strukturel information til forskere rundt om i verden, der forsøger at modificere adenovirussen til brug i vaccine- og genterapibehandlinger mod kræft.

For at modificere en virus til genterapi, forskere fjerner dets sygdomsfremkaldende DNA, erstatte det med medicin og bruge virusskallen, som er blevet optimeret af millioner af års evolution, som leveringsvogn.

Lily Wu, en UCLA-professor i molekylær og medicinsk farmakologi og medforfatter af undersøgelsen, og hendes gruppe har forsøgt at manipulere adenoviruset til brug i genterapi, men manglen på information om receptorer på virussens overflade havde hæmmet deres søgen.

"Vi konstruerer vira til at levere genterapi til prostata- og brystkræft, men tidligere mikroskopiteknikker var ikke i stand til at visualisere de tilpassede vira, " sagde Wu. "Dette var som at prøve at samle komponenterne i en bil i mørket, hvor den eneste måde at se, om du gjorde det korrekt, var at prøve at tænde bilen."

For bedre at visualisere virussen, Wu søgte hjælp fra Hong Zhou, en UCLA professor i mikrobiologi, immunologi og molekylær genetik og undersøgelsens anden hovedforfatter. Zhou bruger kryo-elektronmikroskopi (cryoEM) til at producere atomisk nøjagtige tredimensionelle modeller af biologiske prøver såsom vira.

Wu, som også er forsker ved California NanoSystems Institute (CNSI) ved UCLA, lærte om Zhou's arbejde, efter at han i fællesskab blev rekrutteret til UCLA fra University of Texas Medical School i Houston af UCLA Department of Microbiology, Immunologi og molekylær genetik og UCLA's CNSI.

For omkring et år siden, når overførslen af ​​Zhou's laboratorium var fuldført, Sok Boon Koh, en af ​​Wus elever, opsøgte Zhou's gruppe for deres ekspertise og indledte samarbejdet.

"Dette projekt er et eksempel på min begejstring over at være en del af et så innovativt institut som CNSI, " sagde Zhou. "Jeg er ikke kun i stand til at arbejde med det nyeste udstyr, men fordi CNSI er omdrejningspunktet for nanoteknologisk forskning og kommercialisering ved UCLA, Jeg har mulighed for at samarbejde med kolleger på tværs af mange discipliner."

Arbejder i Electron Imaging Center for Nanomachines på CNSI, et laboratorium drevet af Zhou, forskerne brugte cryoEM til at skabe en 3D-rekonstruktion af det humane adenovirus fra 31. 815 individuelle partikelbilleder.

"Fordi rekonstruktionen afslører detaljer op til en opløsning på 3,6 ångstrøm, vi er i stand til at bygge en atommodel af hele virussen, viser præcis, hvordan de virale proteiner alle passer sammen og interagerer, " sagde Zhou. En ångstrøm er afstanden mellem de to brintatomer i et vandmolekyle, og hele adenoviruset er omkring 920 ångstrøm i diameter.

Bevæbnet med denne nye forståelse, Wu og hendes gruppe går nu videre med deres konstruerede versioner af adenovirus til brug for genterapibehandling af cancer.

"Dette gennembrud er et stort spring fremad, men der er stadig mange forhindringer at overvinde, " sagde Wu. "Hvis vores arbejde lykkes, denne terapi kan bruges til at behandle de fleste former for kræft, men vores første indsats har fokuseret på prostata- og brystkræft, fordi det er de to mest almindelige kræftformer hos mænd og kvinder, henholdsvis."

Gruppen arbejder med adenovirussen, fordi tidligere forskning har etableret den som en god kandidat til genterapi på grund af dens effektivitet til at levere genetiske materialer inde i kroppen. Virusskallen er også et sikkert leveringsmiddel; test har vist, at skallen ikke forårsager kræft, et problem med nogle andre virusskaller. Adenovirus er relativt ikke-patogen naturligt, forårsager kun midlertidig luftvejssygdom hos 5 til 10 procent af mennesker.

CryoEM muliggør en sådan højopløsningsrekonstruktion af biologiske strukturer, fordi prøver, i vand, afbildes direkte. I modsætning, med røntgenkrystallografi (den konventionelle teknik til atomopløsningsmodeller af biologiske strukturer), forskere dyrker krystalstrukturer, der replikerer prøven og bruger derefter diffraktion til at løse krystalstrukturen. Denne teknik er begrænset, fordi det er svært at dyrke krystaller for alle proteiner, prøver til røntgenkrystallografi skal være meget rene og ensartede, og krystaller af store komplekser kan muligvis ikke diffraktere til høj opløsning. Disse begrænsninger resulterede i, at kritiske områder af adenovirusoverfladen var uopløste ved hjælp af røntgenkrystallografi.