Laseraktiverede guldpyramider kunne levere medicin, DNA ind i celler uden skade

Evnen til at levere gods som medicin eller DNA ind i celler er afgørende for biologisk forskning og sygdomsbehandling, men cellemembraner er meget gode til at forsvare deres territorium. Forskere har udviklet forskellige metoder til at narre eller tvinge cellemembranen op, men disse metoder er begrænsede i den type last, de kan levere og er ikke særlig effektive.

Nu, forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en ny metode ved hjælp af guldmikrostrukturer til at levere en række forskellige molekyler til celler med høj effektivitet og ingen varig skade. Forskningen er publiceret i ACS Nano .

"At være i stand til effektivt at levere store og forskelligartede laster direkte ind i cellerne vil ændre biomedicinsk forskning, "sagde Nabiha Saklayen, en ph.d. -kandidat i Mazur Lab på SEAS og første forfatter af papiret. "Imidlertid, intet nuværende enkelt leveringssystem kan gøre alle de ting, du skal gøre på én gang. Intracellulære leveringssystemer skal være yderst effektive, skalerbar, og omkostningseffektive, samtidig med at de er i stand til at transportere forskelligartet gods og levere det til bestemte celler på en overflade uden skader. Det er en virkelig stor udfordring. "

I tidligere undersøgelser, Saklayen og hendes samarbejdspartnere demonstrerede, at guld, pyramideformede mikrostrukturer er meget gode til at fokusere laserenergi i elektromagnetiske hotspots. I denne forskning, holdet brugte en fremstillingsmetode kaldet skabelonstripping til at lave overflader - omtrent på størrelse med en fjerdedel - med 10 millioner af disse små pyramider.

"Det smukke ved denne fremstillingsproces er, hvor enkelt det er, sagde Marinna Madrid, medforfatter af papiret og ph.d. -kandidat i Mazur Lab. "Skabelonstripping giver dig mulighed for at genbruge siliciumskabeloner på ubestemt tid. Det tager mindre end et minut at lave hvert substrat, og hvert substrat kommer helt ensartet ud. Det sker ikke særlig ofte i nanofabrikation. "

Teamet dyrkede HeLa -cancerceller direkte oven på pyramiderne og omringede cellerne med en opløsning indeholdende molekylær last.

Brug af nanosekund laserpulser, holdet opvarmede pyramiderne, indtil hotspots ved spidserne nåede en temperatur på omkring 300 grader Celsius. Denne meget lokaliserede opvarmning - som ikke påvirkede cellerne - fik bobler til at dannes lige ved spidsen af ​​hver pyramide. Disse bobler skubbede forsigtigt ind i cellemembranen, åbner korte porer i cellen og tillader de omgivende molekyler at diffundere ind i cellen.

"Vi fandt ud af, at hvis vi lavede disse porer meget hurtigt, cellerne ville helbrede sig selv, og vi kunne holde dem i live, sund og delende i mange dage, "Sagde Saklayen.

Hver HeLa -cancercelle sad oven på omkring 50 pyramider, hvilket betyder, at forskerne kunne lave omkring 50 små porer i hver celle. Teamet kunne kontrollere boblernes størrelse ved at kontrollere laserparametrene og kunne kontrollere, hvilken side af cellen der skulle trænge ind.

Molekylerne leveret ind i cellen var omtrent samme størrelse som klinisk relevante laster, herunder proteiner og antistoffer.

Næste, teamet planlægger at teste metoderne på forskellige celletyper, herunder blodlegemer, stamceller og T -celler. Klinisk, denne metode kunne bruges i ex vivo -behandlinger, hvor usunde celler tages ud af kroppen, givet gods som stoffer eller DNA, og genindført i kroppen.

"Dette arbejde er virkelig spændende, fordi der er så mange forskellige parametre, vi kunne optimere, så denne metode kan fungere på tværs af mange forskellige celletyper og laster, "sagde Saklayen." Det er en meget alsidig platform. "

Harvards kontor for teknologiudvikling har indgivet patentansøgninger og overvejer kommercialiseringsmuligheder.

"Det er dejligt at se, hvordan fysikkens værktøjer i høj grad kan fremme andre områder, især når det kan muliggøre nye behandlinger mod tidligere vanskeligt behandlede sygdomme, "sagde Eric Mazur, Balkanski -professoren i fysik og anvendt fysik og seniorforfatter af papiret.