Celler foretrækker nanodiske frem for nanorods

I årevis har videnskabsmænd arbejdet på grundlæggende at forstå, hvordan nanopartikler bevæger sig gennem hele menneskekroppen. Et stort ubesvaret spørgsmål er, hvordan formen af ​​nanopartikler påvirker deres indtræden i celler. Nu har forskere opdaget, at under typiske kulturforhold, pattedyrsceller foretrækker skiveformede nanopartikler frem for dem, der er formet som stænger.

At forstå, hvordan formen af ​​nanopartikler påvirker deres transport ind i celler, kunne være et stort løft for nanomedicinområdet ved at hjælpe forskere med at designe bedre behandlinger til forskellige sygdomme, såsom at forbedre effektiviteten og reducere bivirkninger af kræftmedicin.

Ud over nanopartikelgeometri, forskerne opdagede også, at forskellige typer celler har forskellige mekanismer til at trække nanopartikler af forskellig størrelse ind, som tidligere var ukendt. Forskerholdet brugte også teoretiske modeller til at identificere de fysiske parametre, som celler bruger, når de optager nanopartikler.

"Denne forskning identificerede nogle meget nye, men alligevel fundamentale aspekter, hvor celler interagerer med formen af ​​nanopartikler, " sagde Krishnendu Roy, som for nylig sluttede sig til Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Tech og Emory University. Roy udførte denne forskning ved University of Texas i Austin i samarbejde med Profs. S.V. Sreenivasan og Li Shi, men fortsætter arbejdet hos Georgia Tech.

Undersøgelsen var planlagt til at blive offentliggjort i ugen den 7. oktober i den tidlige online-udgave af tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences . Arbejdet blev sponsoreret af National Science Foundation og National Institutes of Health.

Roys team brugte en unik tilgang til at fremstille de forskelligt formede nanopartikler. Forskerne tilpassede en prægningsteknologi, der blev brugt i halvlederindustrien, og riggede den til at arbejde med biologiske molekyler, sagde Roy. Denne prægningsteknik, som de udviklede på UT-Austin, fungerer som en småkageudstikker, men på nanoskalaen. Lægemidler blandes med en polymeropløsning og dispenseres på en siliciumwafer. Derefter indprentes en form på polymer-lægemiddelblandingen ved hjælp af en kvartsskabelon. Materialet størknes derefter ved hjælp af UV-lys. Uanset kageudstikkerens skabelon – trekant, stang, skive – der produceres en nanopartikel med den form. Et andet nøgletræk ved nanopartiklerne er, at de er negativt ladede og er hydrofile, egenskaber, der gør dem relevante til klinisk brug ved lægemiddellevering.

"Vi har udsøgt kontrol over formerne og størrelserne, " sagde Roy, der er en Wallace H. Coulter Distinguished Faculty Fellow.

Hans team brugte derefter partikler af forskellige former og størrelser for at se, hvordan forskellige slags dyrkede pattedyrceller ville reagere på dem. Materialerne og overfladeladningerne af partiklerne var alle de samme, kun formerne var forskellige.

Roys team forventede ikke, at cellerne ville foretrække skiver frem for stænger. De fandt ud af, at i cellekultur, i modsætning til sfæriske nanopartikler, større skiver og stænger optages mere effektivt, et fund, der også var uventet. Da de kørte teoretiske beregninger, fandt de ud af, at den energi, der kræves af en cellemembran til at deformere og omvikle en nanopartikel, er lavere for skiver end stænger, og at tyngdekraften og overfladeegenskaberne spiller en væsentlig rolle i nanopartikeloptagelsen i celler.

"Grunden til, at dette har været uudforsket, er, at vi ikke havde værktøjerne til at lave disse præcist formede nanopartikler, " sagde Roy. "Kun inden for de sidste syv eller otte år har der været nogle få grupper, der er kommet med disse værktøjer til at lave polymerpartikler af forskellige størrelser og former, især i nanoskalaen."

Celler optager nanopartikler gennem en proces kaldet endocytose, men afhængigt af form og celletype, specifikke optagelsesveje udløses, holdet opdagede. Nogle celler er afhængige af proteiner i deres membraner kaldet caveolin; andre bruger et andet membranprotein, kendt som clathrin.

At forstå, hvordan celler reagerer på nanopartiklernes former, er vigtigt, ikke kun for lægemiddellevering, men også for at forstå toksiciteten af ​​nanomaterialer, der anvendes i forbrugerprodukter. Roys nye værk giver endnu en brik til at løse dette puslespil.

"Folk laver forskellige ting i nanoskala med forskellige materialer uden grundlæggende at forstå deres interaktioner med celler, " sagde Roy.

I fremtidigt arbejde hos Georgia Tech, Roys laboratorium vil gerne undersøge, hvordan formerne på nanomaterialer påvirker deres transport og funktion i dyremodeller. Dette vil give forskerne en bedre idé om, hvordan partiklerne bevæger sig ind i tumorer, passerer over slimhindeoverflader og fordeler sig i organer, og i sidste ende hjælpe med kliniske terapier.

"99,9 procent af vores arbejde mangler stadig at blive gjort, hvilket vi gerne vil fortsætte med her på Tech i samarbejde med forskere på UT, " sagde Roy.