Snigende spioner ind i en cellekerne

(PhysOrg.com) - Duke University bioingeniører har ikke kun fundet ud af en måde at snige molekylære spioner gennem væggene i individuelle celler, de kan nu smutte dem ind i kommandocentret – eller kernen – af disse celler, hvor de kan rapportere vigtige oplysninger tilbage eller aflevere nyttelast.

Ved at bruge sølv nanopartikler indhyllet i et protein fra HIV-virus, der har en uhyggelig evne til at trænge ind i menneskelige celler, forskerne har vist, at de kan trænge ind i kernens indre funktioner og detektere subtile lyssignaler fra "spionen".

For at disse nano-spioner skal være effektive, de skal ikke kun komme igennem cellens første forsvarslinje -- cellevæggen -- de skal være i stand til at komme ind i kernen.

Det ultimative mål er at være i stand til at opdage det tidligst mulige øjeblik, hvor det genetiske materiale i en celle begynder at blive unormalt, fører til en lang række lidelser, især kræft.

Fundet viser også, hvordan stoffer eller anden nyttelast kan leveres direkte ind i kernen.

"Denne nye metode til at komme ind i og opdage præcis, hvad der foregår i cellekernen, har klare fordele i forhold til nuværende metoder, " sagde Molly Gregas, en kandidatstuderende i laboratoriet i Tuan Vo-Dinh, R. Eugene og Susie E. Goodson Fremragende professor i biomedicinsk teknik, professor i kemi og direktør for The Fitzpatrick Institute for Photonics ved Duke's Pratt School of Engineering.

"Evnen til at placere disse nanopartikler i en celles kerne og indsamle information ved hjælp af lys har potentielle implikationer for den selektive behandling af sygdom, " sagde Gregas. "Vi forestiller os, at denne tilgang også vil hjælpe grundlæggende forskere, når de forsøger at bedre forstå, hvad der sker i en celles kerne."

Duke-forskerne rapporterede deres resultater i en række artikler, kulminerede i det seneste nummer af Nanomedicin , som blev offentliggjort online. Forskningen blev støttet af National Institutes of Health.

Forskerne koblede små partikler af sølv, et metal, der ikke afvises af celler og er en effektiv lysreflektor, med en lille del af HIV-proteinet ansvarlig for dets højeffektive evne til at trænge ind i en celle og dens kerne. I dette tilfælde, forskerne udnyttede kun HIV's evne til at snige sig forbi cellulært forsvar, samtidig med at den fratager dens evne til at overtage cellens genetiske maskineri og forårsage sygdom.

"Denne kombination udnytter nanopartiklernes lillehed og HIV-proteinets 'leveringsinstruktioner', " Forklarede Gregas. "Når vi kan få den nanopartikel ind i kernen, vi har mange muligheder. Vi kan for eksempel levere en slags nyttelast og så observere dens virkninger i kernen."

Det er her, en fire årtier gammel optisk teknik kendt som overfladeforstærket Raman-spredning (SERS) kommer i spil. Det bruges her som en følsom billeddannelsesteknik til at demonstrere, at nanopartiklerne og deres nyttelast med succes kom ind i kernen.

Når lys, normalt fra en laser, er skinnet på en prøve, målmolekylet vibrerer og spreder sit eget unikke lys tilbage, ofte omtalt som Raman-spredningen. Imidlertid, dette Raman-svar er ekstremt svagt. Når målmolekylet er koblet med en metalnanopartikel, Raman-responsen er stærkt forstærket af SERS-effekten - ofte mere end en million gange, sagde Vo-Dinh.

I begyndelsen af ​​1980'erne, mens han var på Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, Vo-Dinh og kolleger var blandt de første til at demonstrere, at SERS kunne bruges i praksis til at detektere kemikalier, herunder kræftfremkaldende stoffer, miljøforurenende stoffer og tidlige sygdomsmarkører. Hos Duke, Vo-Dinh flytter grænserne for SERS-teknologi til biomedicinsk detektion og molekylær billeddannelse.

"Vores ultimative mål er at udvikle et leveringssystem i nanoskala, der kan slippe sin nyttelast - i dette tilfælde nanopartikler med andre midler på - i en celle for at øge effektiviteten af ​​en lægemiddelbehandling, " sagde Vo-Dinh. "Teoretisk set, vi kunne "indlæse" disse nanopartikler med mange ting, vi er interesserede i - for eksempel en nanoprobe for et kræftgen - og få det ind i en celles kerne. Dette ville give os et advarselssignal om sygdommen på dets tidligste stadie, dermed muliggøre hurtigere og mere effektiv behandling."

De nuværende forsøg blev udført med levende celler i laboratoriet. Nye eksperimenter fokuserer på at bruge denne tilgang i dyremodeller til at bestemme, hvordan den fungerer i et komplekst levende system.