Forskere finder ud af, hvorfor guldnanopartikler kan trænge ind i cellevægge

Celler er meget gode til at beskytte deres dyrebare indhold – og som følge heraf, det er meget svært at trænge ind i deres membranvægge for at levere medicin, næringsstoffer eller biosensorer uden at beskadige eller ødelægge cellen. En effektiv måde at gøre det på, opdaget i 2008, er at bruge nanopartikler af rent guld, belagt med et tyndt lag af en speciel polymer. Men ingen vidste præcis, hvorfor denne kombination fungerede så godt, eller hvordan den kom igennem cellevæggen.

Nu, forskere ved MIT og Ecole Polytechnique de Lausanne i Schweiz har fundet ud af, hvordan processen fungerer, og grænserne for størrelsen af ​​partikler, der kan bruges. Deres analyse vises i journalen Nano bogstaver , i et papir af kandidatstuderende Reid Van Lehn, Prabhani Atukorale, Yu-Sang Yang og Randy Carney og professorerne Alfredo Alexander-Katz, Darrell Irvine og Francesco Stellacci.

Indtil nu, siger Van Lehn, avisens hovedforfatter, "mekanismen var ukendt. ... I dette arbejde, vi ønskede at forenkle processen og forstå de kræfter", der tillader guldnanopartikler at trænge ind i cellevægge uden permanent at beskadige membranerne eller sprænge cellerne. Det gjorde forskerne gennem en kombination af laboratorieforsøg og computersimuleringer.

Holdet demonstrerede, at det afgørende første trin i processen er, at coatede guldnanopartikler smelter sammen med lipiderne - en kategori af naturlige fedtstoffer, voks og vitaminer - der danner cellevæggen. Forskerne demonstrerede også en øvre grænse for størrelsen af ​​sådanne partikler, der kan trænge ind i cellevæggen - en grænse, der afhænger af sammensætningen af ​​partiklens belægning.

Belægningen påført guldpartiklerne består af en blanding af hydrofobe og hydrofile komponenter, der danner et monolag - et lag kun et molekyle tykt - på partiklens overflade. Enhver af flere forskellige forbindelser kan bruges, forklarer forskerne.

"Celler har en tendens til at opsluge ting på overfladen, " siger Alexander-Katz, en lektor i materialevidenskab og teknik ved MIT, men det er "meget usædvanligt", at materialer krydser den membran ind i cellens indre uden at forårsage større skade. Irvine og Stellacci demonstrerede i 2008, at monolag-coatede guldnanopartikler kunne gøre det; de har siden arbejdet på bedre at forstå hvorfor og hvordan det virker.

Da nanopartiklerne selv er fuldstændigt belagte, det faktum, at de er lavet af guld, har ingen direkte effekt, bortset fra at guldnanopartikler er et letforberedt modelsystem, siger forskerne. Imidlertid, der er nogle beviser på, at guldpartiklerne har terapeutiske egenskaber, hvilket kunne være en sidegevinst.

Guldpartikler er også meget gode til at fange røntgenstråler - så hvis de kunne få dem til at trænge ind i kræftceller, og blev derefter opvarmet af en stråle af røntgenstråler, de kunne ødelægge disse celler indefra. "Så det faktum, at det er guld, kan være nyttigt, " siger Irvine, en professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og biologisk ingeniørvidenskab og medlem af Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Væsentligt, mekanismen, der tillader nanopartiklerne at passere gennem membranen, ser også ud til at forsegle åbningen, så snart partiklen har passeret. "De ville gå igennem uden at tillade selv små molekyler at sive igennem bag dem, " siger Van Lehn.

Irvine siger, at hans laboratorium også er interesseret i at udnytte denne cellegennemtrængende mekanisme som en måde at levere lægemidler til cellens indre, ved at binde dem til overfladebelægningsmaterialet. Et vigtigt skridt i at gøre det til en nyttig proces, han siger, er ved at finde måder at tillade nanopartikelbelægningerne at være selektive med hensyn til, hvilke typer celler de binder sig til. "Hvis det hele er celler, det er ikke særlig brugbart, " han siger, men hvis belægningerne kan målrettes til en bestemt celletype, der er målet for et lægemiddel, det kan være en væsentlig fordel.

En anden potentiel anvendelse af dette arbejde kunne være at fastgøre eller indsætte biosensing molekyler på eller ind i bestemte celler, siger Van Lehn. På denne måde videnskabsmænd kunne opdage eller overvåge specifikke biokemiske markører, såsom proteiner, der indikerer begyndelsen eller faldet af en sygdom eller en metabolisk proces.

Generelt, vedhæftning til nanopartiklers overfladebelægninger kunne give en nøgle til cellernes indre for "molekyler, der normalt ikke ville have nogen evne til at komme gennem cellemembranen, " siger Irvine.