Nanokanalelektroporation:Forskere foretager præcis genterapi uden en nål

For første gang, forskere har fundet en måde at injicere en præcis dosis af et genterapimiddel direkte i en enkelt levende celle uden en nål.

Teknikken bruger elektricitet til at "skyde" bits af terapeutiske biomolekyler gennem en lille kanal og ind i en celle på en brøkdel af et sekund.

L. James Lee og hans kolleger ved Ohio State University beskriver teknikken i onlineudgaven af ​​tidsskriftet Naturnanoteknologi , hvor de rapporterer om en succesfuld indsættelse af specifikke doser af et anticancer-gen i individuelle leukæmiceller for at dræbe dem.

De har kaldt metoden "nanokanalelektroporering, "eller NEP.

"NEP giver os mulighed for at undersøge, hvordan medicin og andre biomolekyler påvirker cellebiologi og genetiske veje på et niveau, der ikke kan opnås ved hjælp af eksisterende teknikker, "sagde Lee, som er Helen C. Kurtz professor i kemisk og biomolekylær teknik og direktør for NSF Nanoscale Science and Engineering Center for Affordable Nanoengineering of Polymeric Biomedical Devices i Ohio State.

Der har længe været måder at indsætte tilfældige mængder biomateriale i bulkmængder af celler til genterapi. Og fine nåle kan injicere bestemte mængder materiale i store celler. Men de fleste menneskelige celler er for små til, at selv de mindste nåle kan bruges.

NEP kommer uden om problemet ved at suspendere en celle inde i en elektronisk enhed med et reservoir af terapeutisk middel i nærheden. Elektriske impulser skubber agenten ud af reservoiret og gennem en nanometer- (milliardtedel af en meter) kanal i enheden, gennem cellevæggen, og ind i cellen. Forskere styrer dosis ved at justere antallet af pulser og kanalens bredde.

I Naturnanoteknologi , de forklarer, hvordan de konstruerede prototype -enheder ved hjælp af polymerstempler. De brugte individuelle DNA-strenge som skabeloner til kanaler i nanometerstørrelse.

Lee opfandt teknikken til at frigøre DNA -tråde og forme dem til præcise mønstre, så de kunne fungere som ledninger i biologisk baseret elektronik og medicinsk udstyr. Men for denne undersøgelse, guldbelagte DNA-tråde blev strakt mellem to reservoirer og derefter ætset væk, for at efterlade en nanokanal med præcise dimensioner, der forbinder reservoirerne i den polymere enhed.

Elektroder i kanalerne gør enheden til et lille kredsløb, og elektriske impulser på et par hundrede volt bevæger sig fra reservoiret med det terapeutiske middel gennem nanokanalen og ind i et andet reservoir med cellen. Dette skaber et stærkt elektrisk felt ved udgangen af ​​nanokanalen, som interagerer med cellens naturlige elektriske ladning for at tvinge et hul i cellemembranen op - et stort nok til at levere agenten, men lille nok til ikke at dræbe cellen.

I test, de var i stand til at indsætte midler i celler på så få som et par millisekunder, eller tusindedele af et sekund.

Først, de mærkede bits af syntetisk DNA med fluorescerende molekyler, og brugte NEP til at indsætte dem i humane immunceller. Efter en enkelt puls på 5 millisekunder, de begyndte at se fluorescenspletter spredt i cellerne. De testede forskellige pulslængder op til 60 millisekunder - hvilket fyldte cellerne med fluorescens.

For at teste, om NEP kunne levere aktive terapeutiske midler, de indsatte bits af terapeutisk RNA i leukæmiceller. Pulser så korte som 5 millisekunder leverede nok RNA til at dræbe nogle af cellerne. Længere pulser - nærmer sig 10 millisekunder - dræbte næsten dem alle. De indsatte også noget ufarligt RNA i andre leukæmiceller til sammenligning, og disse celler levede.

I øjeblikket, processen er bedst egnet til laboratorieforskning, Lee sagde, fordi den kun fungerer på en celle eller flere celler ad gangen. Men han og hans team arbejder på måder at injicere mange celler samtidigt. De udvikler i øjeblikket et mekanisk cellelastningssystem, der ville injicere op til 100, 000 celler på én gang, hvilket potentielt ville muliggøre klinisk diagnostik og behandling.

"Vi håber, at NEP i sidste ende kan blive et redskab til tidlig opdagelse og behandling af kræft - f.eks. at indsætte præcise mængder af gener eller proteiner i stamceller eller immunceller for at styre deres differentiering og ændringer - uden sikkerhedsproblemer forårsaget af overdosering, og derefter placere cellerne tilbage i kroppen til cellebaseret terapi, "Tilføjede Lee.

Han ser potentielle anvendelser til diagnosticering og behandling af leukæmi, lungekræft, og andre tumorer. Han arbejder med forskere ved Ohio State's Comprehensive Cancer Center for at undersøge disse muligheder.