Hvorfor staver kulnanorør problemer med celler

Det har længe været kendt, at asbest staver problemer for menneskelige celler. Forskere har set celler stukket med pigge, lange asbestfibre, og billedet er blodig:En del af fiberen stikker ud fra cellen, som en dirrende pil, der har fundet sit mærke.

Men forskere havde ikke været i stand til at forstå, hvorfor celler ville være interesserede i asbestfibre og andre materialer på nanoskalaen, der er for lange til at blive indtaget fuldt ud. Nu forklarer en gruppe forskere ved Brown University, hvad der sker. Gennem molekylære simuleringer og eksperimenter, teamet melder ind Naturnanoteknologi at visse nanomaterialer, såsom carbon nanorør, indtaste celler tip-first og næsten altid i en 90-graders vinkel. Orienteringen ender med at narre cellen; ved først at tage den afrundede spids ind, cellen fejler partiklen for en kugle, frem for en lang cylinder. Når cellen indser, at materialet er for langt til at blive indtaget fuldstændigt, det er for sent.

"Det er som om vi ville spise en slikkepind, der er længere end os, "sagde Huajian Gao, professor i teknik ved Brown og papirets tilsvarende forfatter. "Det ville sidde fast."

Forskningen er vigtig, fordi nanomaterialer som kulstofnanorør har løfte inden for medicin, såsom at fungere som midler til at transportere lægemidler til bestemte celler eller til bestemte steder i menneskekroppen. Hvis forskere fuldt ud kan forstå, hvordan nanomaterialer interagerer med celler, så kan de tænkes at designe produkter, der hjælper celler frem for at skade dem.

"Hvis vi fuldt ud kan forstå (nanomateriale-celledynamik), vi kan lave andre rør, der kan kontrollere, hvordan celler interagerer med nanomaterialer og ikke er giftige, "Gao sagde." Vi vil i sidste ende stoppe attraktionen mellem nanotipen og cellen. "

Ligesom asbestfibre, kommercielt tilgængelige carbon nanorør og guld nanotråde har afrundede spidser, der ofte spænder fra 10 til 100 nanometer i diameter. Størrelse er vigtig her; diameteren passer godt inden for cellens parametre for, hvad den kan klare. Børstning op mod nanorøret, særlige proteiner kaldet receptorer på cellen springer i aktion, klynge og bøje membranvæggen for at vikle cellen omkring nanorørspidsen i en sekvens, som forfatterne kalder "tipgenkendelse". Da dette sker, nanorøret er vippet i en 90-graders vinkel, hvilket reducerer mængden af ​​energi, der er nødvendig for, at cellen kan opsluge partiklen.

Når opslugningen - endocytose - begynder, der er ingen vej tilbage. Inden for få minutter, cellen fornemmer, at den ikke helt kan opsluge nanostrukturen og ringer i det væsentlige til 911. "På dette stadium, det er for sent, "Gao sagde." Det er i problemer og kalder på hjælp, udløser et immunrespons, der kan forårsage gentagen betændelse. "

Teamet antog interaktionen ved hjælp af grovkornede molekylære dynamiske simuleringer og afskærmede multivæggede carbon-nanorør. I forsøg med nanorør og guld -nanotråde og museleverceller og humane mesotelceller, nanomaterialerne kom først ind i cellerne og i en 90 graders vinkel omkring 90 procent af tiden, rapporterer forskerne.

"Vi troede, at røret ville ligge på cellemembranen for at opnå flere bindingssteder. Men vores simuleringer afslørede, at røret støt roterede i høj grad, med spidsen pakket helt ind, "sagde Xinghua Shi, første forfatter på papiret, der fik sin doktorgrad ved Brown og er på Chinese Academy of Sciences i Beijing. "Det er kontraintuitivt og skyldes hovedsageligt bøjningsenergifrigivelsen, da membranen ombryder røret."

Teamet vil gerne undersøge, om nanorør uden afrundede spidser - eller mindre stive nanomaterialer som nanoribbons - udgør det samme dilemma for celler.

"Interessant nok, hvis den afrundede spids af et carbon -nanorør er afskåret (hvilket betyder, at røret er åbent og hult), røret ligger på cellemembranen, i stedet for at komme ind i cellen i en høj grad-vinkel, "Sagde Shi.