Video af virusstørrelse partikel, der forsøger at trænge ind i cellen

Lille og hurtig, vira er svære at fange på video. Nu har forskere ved Princeton University opnået et hidtil uset blik på en viruslignende partikel, mens den forsøger at bryde ind i og inficere en celle. Teknikken, de udviklede, kunne hjælpe videnskabsmænd med at lære mere om, hvordan man afgiver lægemidler via nanopartikler - som er omtrent lige store som vira - samt hvordan man forhindrer virusinfektion i at opstå.

Videoen afslører en viruslignende partikel, der lyner rundt i en hurtig, uberegnelig måde, indtil den støder på en celle, hopper og skrider langs overfladen, og enten løfter sig igen eller, på meget kortere tid end det tager at blinke med et øje, glider ind i cellens indre. Værket blev udgivet i Natur nanoteknologi .

"Udfordringen med at afbilde disse hændelser er, at vira og nanopartikler er små og hurtige, mens celler er relativt store og immobile, " sagde Kevin Welsher, en postdoc-forsker i Princetons Institut for Kemi og førsteforfatter på undersøgelsen. "Det har gjort det meget svært at fange disse interaktioner."

Problemet kan sammenlignes med at optage video af en kolibri, mens den strejfer rundt i en stor have, sagde Haw Yang, lektor i kemi og Welshers rådgiver. Fokuser kameraet på den hurtigt bevægende kolibri, og baggrunden bliver sløret. Fokuser på baggrunden, og fuglen bliver sløret.

Forskerne løste problemet ved at bruge to kameraer, en, der låste sig fast på den viruslignende nanopartikel og fulgte den trofast, og en anden, der filmede cellen og det omgivende miljø.

At sætte de to billeder sammen gav et detaljeringsniveau om bevægelsen af ​​partikler i nanostørrelse, som aldrig før er blevet opnået, sagde Yang. Forud for dette arbejde, han sagde, den eneste måde at se små objekter med en lignende opløsning var at bruge en teknik kaldet elektronmikroskopi, hvilket kræver at cellen dræbes.

"Hvad Kevin har gjort, er virkelig anderledes, er, at han kan fange et tredimensionelt billede af en virusstørrelse partikel, der angriber en levende celle, der henviser til, at elektronmikroskopi er i to dimensioner og på døde celler, " sagde Yang. "Dette giver os et helt nyt niveau af forståelse."

Ud over blot at se partiklens løjer, forskerne kan bruge teknikken til at kortlægge konturerne af celleoverfladen, som er ujævn med proteiner, der skubber op fra under overfladen. Ved at følge partiklens bevægelse langs cellens overflade, forskerne var i stand til at kortlægge fremspringene, ligesom en blind person kan bruge sine fingre til at konstruere et billede af en persons ansigt.

"Ved at følge partiklens bevægelse tillod vi os at spore meget fine strukturer med en præcision på omkring 10 nanometer, som typisk kun er tilgængelig med et elektronmikroskop, " sagde Welsher. (En nanometer er en milliardtedel af en meter og omkring 1000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår.) Han tilføjede, at måling af ændringer i partiklens hastighed gjorde det muligt for forskerne at udlede viskositeten af ​​det ekstracellulære miljø bare over celleoverfladen.

Teknologien har potentielle fordele for både lægemiddelopdagelse og grundlæggende videnskabelig opdagelse, sagde Yang. "Vi tror, ​​at dette vil påvirke undersøgelsen af, hvordan nanopartikler kan levere medicin til celler, potentielt føre til nogle nye forsvarslinjer i antivirale terapier, " sagde han. "For grundforskning, der er en række spørgsmål, der nu kan udforskes, såsom hvordan en celleoverfladereceptor interagerer med en viral partikel eller med et lægemiddel."

Welsher added that such basic research could lead to new strategies for keeping viruses from entering cells in the first place.

"If we understand what is happening to the virus before it gets to your cells, " said Welsher, "then we can think about ways to prevent infection altogether. It is like deflecting missiles before they get there rather than trying to control the damage once you've been hit."

To create the virus-like particle, the researchers coated a miniscule polystyrene ball with quantum dots, which are semiconductor bits that emit light and allow the camera to find the particle. Næste, the particle was studded with protein segments known as Tat peptides, derived from the HIV-1 virus, which help the particle find the cell. The width of the final particle was about 100 nanometers.

The researchers then let loose the particles into a dish containing skin cells known as fibroblasts. One camera followed the particle while a second imaging system took pictures of the cell using a technique called laser scanning microscopy, which involves taking multiple images, each in a slightly different focal plane, and combining them to make a three-dimensional picture.