Nanomotorer kontrolleres, for første gang, inde i levende celler (m/ video)

For første gang, et team af kemikere og ingeniører ved Penn State University har placeret små syntetiske motorer inde i levende menneskelige celler, drev dem med ultralydsbølger og styrede dem magnetisk. Det er ikke ligefrem "Fantastisk rejse, "men det er tæt. Nanomotorer, som er raketformede metalpartikler, bevæge sig rundt inde i cellerne, spinder og slår mod cellemembranen.

"Da disse nanomotorer bevæger sig rundt og støder ind i strukturer inde i cellerne, de levende celler viser interne mekaniske reaktioner, som ingen har set før, "sagde Tom Mallouk, Evan Pugh professor i materialekemi og fysik i Penn State. "Denne forskning er en levende demonstration af, at det kan være muligt at bruge syntetiske nanomotorer til at studere cellebiologi på nye måder. Vi kan muligvis bruge nanomotorer til behandling af kræft og andre sygdomme ved mekanisk at manipulere celler indefra. Nanomotorer kunne udføre intracellulær kirurgi og levere medicin ikke -invasivt til levende væv. "

Forskernes fund vil blive offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition den 10. februar 2014. Ud over Mallouk, medforfattere omfatter forskere fra Penn State Wei Wang, Sixing Li, Suzanne Ahmed, og Tony Jun Huang, samt Lamar Mair fra Weinberg Medical Physics i Maryland U.S.A.

Indtil nu, Mallouk sagde, nanomotorer er kun blevet undersøgt "in vitro" i et laboratorieapparat, ikke i levende menneskelige celler. Kemisk drevne nanomotorer blev først udviklet for ti år siden i Penn State af et team, der omfattede kemiker Ayusman Sen og fysiker Vincent Crespi, foruden Mallouk. "Vores første generations motorer krævede giftige brændstoffer, og de ville ikke bevæge sig i biologisk væske, så vi kunne ikke studere dem i menneskelige celler, "Mallouk sagde." Denne begrænsning var et alvorligt problem. "Da Mallouk og den franske fysiker Mauricio Hoyos opdagede, at nanomotorer kunne drives af ultralydsbølger, døren var åben for at studere motorerne i levende systemer.

Til deres eksperimenter, holdet bruger HeLa -celler, en udødelig række af humane livmoderhalskræftceller, der typisk bruges i forskningsstudier. Disse celler indtager nanomotorer, som derefter bevæger sig rundt i cellevævet, drevet af ultralydsbølger. Ved lav ultralydseffekt, Mallouk forklarede, nanomotorer har ringe effekt på cellerne. Men når strømmen øges, nanomotorer springer i aktion, bevæger sig rundt og støder ind i organeller - strukturer i en celle, der udfører bestemte funktioner. Nanomotorer kan fungere som ægpisker for i det væsentlige at homogenisere cellens indhold, eller de kan fungere som vædderamme for faktisk at punktere cellemembranen.

Mens ultralydspulser styrer, om nanomotorer snurrer rundt, eller om de bevæger sig fremad, forskerne kan styre motorerne endnu mere ved at styre dem, ved hjælp af magnetiske kræfter. Mallouk og hans kolleger fandt også ud af, at nanomotorer kan bevæge sig selvstændigt - uafhængigt af hinanden - en evne, der er vigtig for fremtidige applikationer. "Autonom bevægelse kan hjælpe nanomotorer selektivt med at ødelægge de celler, der opsluger dem, "Sagde Mallouk." Hvis du vil have disse motorer til at opsøge og ødelægge kræftceller, for eksempel, det er bedre at få dem til at flytte uafhængigt. Du vil ikke have, at en hel masse af dem går i en retning. "

Nanomotors evne til at påvirke levende celler giver løfte om medicin, Sagde Mallouk. "En af vores drømmeapplikationer er fantastisk medicin i Voyage-stil, hvor nanomotorer krydser rundt inde i kroppen, kommunikere med hinanden og udføre forskellige former for diagnoser og terapi. Der er masser af applikationer til styring af partikler i denne lille skala, og at forstå, hvordan det fungerer, er det, der driver os. "