Squishy hydrogeler kan være billetten til at studere biologiske effekter af nanopartikler

(Phys.org) – En klasse af vandelskende, gelélignende materialer med anvendelsesmuligheder lige fra det verdslige, såsom superabsorberende bleforinger, til de sofistikerede, såsom bløde kontaktlinser, kunne udnyttes til en ny serie af seriøst arbejde:afprøvning af de biologiske virkninger af nanopartikler, der nu bliver set for en lang række anvendelser.

Ny forskning udført af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) viser, at tredimensionelle stilladser lavet med celler og støttematerialer kendt som hydrogeler kan tjene som naturtro måleplatforme til at evaluere, hvordan små konstruerede materialer interagerer med celler og væv. Deres proof-of-concept-undersøgelse tyder på, at hydrogelvævsstilladser kan være en "kraftfuld bro" mellem nuværende laboratorietest og test, der bruger dyremodeller.

I dag, laboratorietest af nanopartikler indebærer sædvanligvis at udsætte et todimensionelt lag af celler for det interessante materiale. Udover at være tvivlsomme erstatninger for de komplekse cellulære rammer, der udgør væv og organer inde i kroppen, disse tests kan give modstridende resultater, forklarer analytisk kemiker Elisabeth Mansfield, ledende forsker på det nye NIST-studie.

"Vores undersøgelse viser, at hydrogel-baseret, vævstekniske stilladser kan give mere realistiske miljøer til at studere nanopartikel-påvirket cellebiologi over længere perioder, " siger hun. Vigtigt, NIST-forskningen viser, at undersøgelser, der anvender stilladset, ikke kræver, at celler udsættes for nanopartikler i doser, der overstiger normale eksponeringsniveauer.

Hydrogeler er netværk af snorlige, forgrenede polymermolekyler med ender, der låser sig fast på vandmolekyler - så meget, at 99,9 procent af en hydrogel kan bestå af vand. Afhængigt af afstanden mellem strengene (den såkaldte maskestørrelse) og andre faktorer, hydrogeler kan understøtte og fremme væksten og differentieringen af ​​cellepopulationer.

Mens hydrogeler forekommer naturligt - et eksempel er brusk - valgte NIST-teamet at lave sin egen, giver dem kontrol over maskestørrelsen i de stilladser, de har lavet.

I deres eksperiment, holdet brugte polyethylenglycol - en almindelig polymer, der bruges i hudcremer, tandpasta, smøremidler og andre produkter - for at skabe tre hydrogeler med forskellige maskestørrelser. Et sæt hydrogeler blev befolket med rotteceller indeholdende ultrasmå halvledende materialer kendt som kvanteprikker. Når de udsættes for lys, kvanteprikker udsender stærke fluorescerende signaler, der gjorde det muligt for forskerne at spore de behandlede cellers skæbne i de syntetiske stilladser.

Resultaterne blev sammenlignet med resultaterne for lignende behandlede celler dyrket i et enkelt lag på et substrat, beslægtet med standard laboratorietoksikologiske tests.

NIST-forskerne fandt ud af, at celler diffunderede gennem hydrogel-stilladset, danner en vedvarende vævslignende struktur. Kvanteprikker knyttet til cellemembraner og, over tid, blev absorberet i cellerne.

Tredimensionelle stilladser bruges ofte til at teste celler til flere ugers eksperimenter, og NIST-forskere fandt, at kvanteprikker kan detekteres i fire eller flere dage inde i stilladset.

Lige så betydningsfuldt, celler, der befolkede hydrogel-stilladserne, blev udsat for lavere niveauer af kvanteprikker, giver et mere repræsentativt scenarie til evaluering af biologiske effekter.

NIST-holdet konkluderer, at sammenlignet med konventionelle cellekulturer, hydrogel stilladser giver en mere realistisk, længerevarende biologisk miljø til at studere, hvordan ingeniørmæssige nanopartikler interagerer med celler. Ud over, stilladserne vil rumme undersøgelser af, hvordan disse interaktioner udvikler sig over tid, og af hvordan de fysiske egenskaber ved nanopartikler kan ændre sig.