Målretningsstrategi kan åbne døren til bedre kræfttilførsel

Bioingeniører kan muligvis bruge de unikke mekaniske egenskaber af syge celler, såsom metastatiske kræftceller, at hjælpe med at forbedre leveringen af ​​lægemiddelbehandlinger til de målrettede celler, ifølge et team af forskere ved Penn State.

Mange laboratorier rundt om i verden udvikler nanopartikel-baserede, lægemiddelleveringssystemer til selektivt at målrette tumorer. De er afhængige af et nøgle-og-lås-system, hvor proteinnøgler på overfladen af ​​nanopartiklerne klikker ind i låsene af et højt udtrykt protein på overfladen af ​​kræftcellen. Cellemembranen vikler derefter nanopartiklerne og indtager den. Hvis der indtages nok af nanopartiklerne og deres medikamentlast, kræftcellen vil dø.

Låsens og nøglens klæbekraft er det, der driver nanopartiklerne ind i cellen, sagde Sulin Zhang, professor i ingeniørvidenskab og mekanik.

"Det er næsten universelt, at når der er en drivkraft for en proces, der er altid en modstandskraft, " sagde Zhang. "Her, drivkraften er biokemisk - protein-protein-interaktionen."

Modstandskraften er den mekaniske energiomkostning, der kræves for, at membranen kan vikle sig rundt om nanopartiklerne. Indtil nu, bioingeniører overvejede kun drivkraften og designede nanopartikler for at optimere de kemiske interaktioner, en målretningsstrategi kaldet "kemotargeting". Zhang mener, at de også bør tage hensyn til cellernes mekanik for at designe nanopartikler for at opnå forbedret målretning, som danner en ny målretningsstrategi kaldet "mechanotargeting".

"Disse to målretningsstrategier er komplementære; du kan kombinere kemotargeting og mekanotargeting for at opnå det fulde potentiale af nanopartikel-baserede diagnostiske og terapeutiske midler, " sagde Zhang. "Faktum er, at målretningseffektivitet kræver en delikat balance mellem drivkræfter og modstandskræfter. For eksempel, hvis der er for mange taster på nanopartikeloverfladen, selvom disse nøgler kun svagt interagerer med de ikke-matchende låse på normale celler, disse svage, interaktioner uden for målet kan stadig give tilstrækkelig adhæsionsenergi til, at nanopartiklerne kan trænge ind i cellemembranen og dræbe de raske celler."

På den anden side, hvis adhæsionsenergien ikke er høj nok, nanopartiklerne kommer ikke ind i cellen.

I "Mechanotargeting:Mekanikafhængig cellulær optagelse af nanopartikler, " offentliggjort online forud for tryk i tidsskriftet Avancerede materialer , Zhang og holdet rapporterer resultaterne af eksperimenter på kræftceller dyrket på hydrogeler med variabel stivhed. På bløde hydrogeler forblev cellerne sammenhængende og godartede og oplevede en næsten konstant stress, der begrænsede optagelsen af ​​nanopartiklerne. Men på stive hydrogeler blev cellerne metastatiske og antog en tredimensionel form, tilbyde mere overfladeareal for nanopartikler at klæbe, og blev mindre stresset. Under denne betingelse, cellerne optog fem gange antallet af nanopartikler som de godartede celler.

"Nanopartiklerne er fluorescerende, så vi tæller antallet af nanopartikler, der kommer ind i cellen ved hjælp af fluorescensintensiteten. Vi fandt ud af, at i de ondartede celler er intensiteten fem gange højere, " sagde Zhang. "Det beviser, at mechanotargeting virker."