Kursus sat til at overvinde misforhold mellem laboratoriedesignede nanomaterialer og naturens kompleksitet

Celler og det maskineri, de omslutter, er blødt stof - formskiftende multikomponentsystemer med en overvældende rigdom af former. Men, disse squishy pakker er hårde mål for potentielle terapeutiske og diagnostiske applikationer, der udnytter nanomaterialer, fra kvanteprikker, der lyser op i specifikke væv, til nanocages, der bærer lægemidler.

Problemet, ifølge et hold på 12 eksperter fra fem lande, stammer fra et "mismatch" mellem den strukturelle kompleksitet, som naturen udvalgte gennem milliarder af års evolution, og de minimalistiske designs af syntetiske nanomaterialer, optimeret til laboratorieforhold.

Fremskridt inden for nanoteknologi har gjort det muligt at kontrollere størrelsen, form, sammensætning, elasticitet og kemiske egenskaber af laboratoriefremstillede nanomaterialer. Alligevel fungerer mange af disse materialer ikke som forventet i kroppen. I et nyligt nummer af Biointerfaser , fra AIP Publishing, holdet går ind på biomembraner – de portholdende bilipidlag og proteiner, der omgiver celler. De udforsker de barrierer, et syntetisk nanomateriale skal bryde for at komme ind i en celle og opnå det tilsigtede formål.

Holdets konsensusperspektiv på at designe næste generations "smarte" nanomaterialer til biologiske applikationer opstod i diskussioner på en nylig workshop om biomaterialer og membraner. Den årlige workshop er arrangeret af Smart Nano-objects for Alteration of Lipid bilayers (SNAL) Initial Training Network, finansieret af EU's syvende rammeprogram.

Forfatterne understreger, at introduktion af syntetiske nanomaterialer i biologiske miljøer kan udløse uventede interaktioner og uforudsigelig adfærd, kendetegn ved blødstofsystemer. Proteiner binder til objekter i nanoskala og danner proteinkoronaer, der kan hindre den forventede terapeutiske effekt, ændre membransignaleringsprocesserne, fremkalde et immunrespons, eller udløse andre uønskede reaktioner.

Tilsvarende teoretiske undersøgelser og simuleringer forudsætter perfekt ensartede nanomaterialer med idealiserede egenskaber, men ægte nanomaterialer kan variere i overfladeruhed og størrelse. Derudover de kan samle sig, når de introduceres til kroppen. Selv små variationer kan føre til forskellige interaktioner i biologiske medier.

"De udfordringer, vi stiller, er beregnet til at tjene som retningslinjer, der vil hjælpe feltet med at tackle de næste grader af biologisk kompleksitet, vanskeligheder og åbne spørgsmål, sagde Marco Werner, ved Universitat Rovira i Virgili i Spanien. "Hvis teoretiske begreber, membran modeller, og celleeksperimenter rykker tættere sammen og fremmer et fælles sprog, vi vil også forbedre vores evne til at forudsige, om de materialer, vi designer, vil nå deres tilsigtede formål."