Nanosensor måler spændinger af vævsfibre

Bakterier er i stand til at binde sig til vævsfibre ved hjælp af en 'nano-klæber'. Hvordan de opnår dette blev undersøgt for nogle år siden af ​​Viola Vogel, Professor i Applied Mechanobiology ved ETH Zürich, ved hjælp af computersimuleringer på CSCS. Forskerne simulerede, hvordan det bakterielle nano-klæbemiddel - en peptidtråd med flere bindingssteder spændt sammen som perler - klæber til det, der kaldes fibronektinfibre. Disse udgør en del af det fibrøse netværk, hvori celler er indlejret. Hvor der er en læsion, fibronektinfibrene skæres over.

Bakterien registrerer spændingstilstanden af ​​vævsfibre

Intakte vævsfibre holdes under spænding af trækkraften fra celler i det fibrøse netværk. Når fibronektinfibre strækkes af kræfter, simuleringer af denne proces viste, at afstandene mellem de individuelle bindingssteder på fibronectin, som brobygget af det bakterielle peptid, vokser sig for store, og derfor bliver den bakterielle nano-klæbemiddel stort set løsnet.

På det tidspunkt, forskerne havde ikke forventet sådanne resultater. Disse antydede, at Staphylococcus aureus-bakterien, hvis adhæsion blev brugt i simuleringen, kunne i løbet af sin udvikling have udviklet en nano-sensor til at detektere spændingstilstanden af ​​fibronektinfibre. For at 'med held' inficere en læsion, den frygtede bakterie binder sig formentlig til afskårne og derfor strukturelt afslappede fibre.

Imidlertid, lidt er kendt om vævsfibrenes spændingstilstand og deres effekt på fysiologiske processer i degenerative ændringer i væv, for eksempel. Der mangler også metoder, der egner sig til at måle de små kræfter, som celler udøver på vævsfibre.

Viola Vogel og hendes forskergruppe arbejder derfor på nanosensorer, der kan klare opgaven:inspireret af simuleringerne, de udviklede et bakterielt peptid i stand til at genkende fibronectins spændingstilstande i væv. Et sådant peptid kunne bruges både i terapi og diagnostik.

Supercomputer-forudsagte nano-sensorer blev testet med succes i dyr

Nu, forsøg på det syntetisk fremstillede peptid i cellekulturer samt i tumorvæv fra dyremodeller har givet forskerne positive resultater. Fordi peptidet kun binder til ikke-spændte fibre, det kan synligt afsløre, hvilke tumorvævsfibre der er under spænding. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i dag i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

For at teste, om peptidet faktisk kun binder sig til ikke-spændte fibre, forskerne tilføjede til cellekulturmediet en speciel optisk 'nano-probe', de havde udviklet. Denne sonde er kun anvendelig i cellekulturer, hvor den skifter farve for at angive fibrenes spændingstilstand. Ud over, forskerne mærkede det syntetisk fremstillede peptid med en ekstra fluorofor for at visualisere, hvor det binder i cellekulturen.

Desuden, tumorvæv blev farvet med specielt farvemærket peptid og antistoffer, der binder til alt fibronectin, hvor de gjorde synlige alle fibronectinfibre i tumoren versus de afslappede fibre som markeret af peptidet.

Ikke alle fibre er under spænding

Detaljeret undersøgelse af tumoren afslørede til forskernes forbløffelse, at peptiderne ikke binder sig til alle fibronectinfibrene, dog - et tegn på, at ikke alle fibre i tumoren er under spænding. "Imidlertid, vi kan endnu ikke sige, hvorfor spændt fibronectin er mere udbredt i nogle områder af tumoren end i andre, siger Vogel.

For at finde ud af, om bakterieklæbemidlet også er egnet til diagnostiske formål, forskere ved Paul Scherrer Institute (PSI) ledet af Martin Behé og Roger Schibli injicerede radioaktivt mærkede peptider i dyremodellen. Dette gjorde det muligt for forskerne at identificere, hvor peptidet binder i organismen. "Udover de godt perfunderede organer såsom nyrer, lever og milt, peptidet akkumuleres hovedsageligt i tumorvæv, " siger Viola Vogel. Det var også her, det blev længst.

Forskerne håber, at peptiderne vil kunne tjene som diagnostiske markører for tumorvæv og andre degenerative sygdomme. Peptiderne kunne bruges til strålebehandling eller til at levere aktive farmaceutiske ingredienser til det syge sted, for eksempel ved at binde en aktiv ingrediens til det bakterielle peptid, hvorefter peptidets bindingssensorer bringer den aktive ingrediens direkte til sit mål. Den store fordel ved peptider er, at de er meget mindre end nanopartikler og antistoffer. "Disse små molekyler kan derfor trænge meget bedre og dybere ind i tæt tumorvæv, siger Vogel.

Undersøgelse af mulige anvendelser

Både resultaterne og Vogels nye forskningstilgang i jagten på nye metoder til diagnostik og terapi har vakt opmærksomhed:Ud over en ERC og en nyligt tildelt SNF-bevilling, det anerkendte Charité universitetshospital i Berlin har tildelt Viola Vogel et Einstein-professorat, der vil sætte hende i stand til at finansiere to stillinger, gør det muligt at kombinere den nye teknik med klinisk forskning. I samarbejde med PSI, Vogel har også til hensigt at undersøge, hvilke typer væv og sygdomme, der bedst kan rammes af peptidet.

Det har været en lang vej fra de første simuleringer på CSCS og laboratorietest til dyremodeller, Viola Vogel påpeger. De eksperimentelle videnskaber ser rutinemæssigt kritisk på forskning baseret på simuleringer. Men ETH-professoren afviser denne opfattelse:"Gennem simuleringer forsøger vi at skærpe vores tænkning om molekylære processer." Forskeren er overbevist om, at de nuværende resultater ikke kunne være opnået uden simuleringer. "Dette bringer os klart til det punkt, hvor simuleringer har prædiktiv værdi, siger Vogel.