Nanovehicles, der efterligner naturen, kunne levere fremtidens behandlinger

Små køretøjer op til 1, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, der er indhyllet i biologisk camouflage, kunne give nye måder at behandle kræft på med færre bivirkninger.

I løbet af milliarder af år har naturen perfektioneret geniale måder, hvorpå biologiske celler kan bevæge sig rundt i deres miljø og harmløst transportere pakker af kemikalier mellem hinanden.

Nu efterligner forskere nogle af disse processer for at skabe nye 'nanomaskiner', der i sidste ende kan hjælpe med at behandle sygdomme som leukæmi og andre kræftformer.

En tilgang tager sin inspiration fra historien om belejringen af ​​Troja, da grækerne gemte deres krigere inde i en kæmpe træhest for at komme ind i byen.

Professor Valentina Cauda, en kemiingeniør ved Politecnico di Torino i Italien, leder et projekt for at skabe krystaller af zinkoxid i nanostørrelse, der kan dræbe kræftceller indefra. I sig selv krystallerne, som er omkring 20 nanometer store - omkring 6, 000 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår - kan være giftigt for sunde celler i kroppen og kan udløse en immunreaktion, der forhindrer dem i at nå tumoren.

Men professor Cauda og hendes kolleger på TrojaNanoHorse -projektet har udviklet en skal omkring krystallerne, så de kan glide dem forbi kroppens forsvar og inde i kræftceller.

"Idéen er at undvige immunsystemet og at undvige cellemembranens barriere takket være den biomimetiske skal, "siger prof. Cauda." I den trojanske hests analogi, (kræft)cellen kan være byen Troja."

Fed

De små skaller, som er mellem 100-200nm eller 1, 000 gange mindre end et menneskehår, er lavet af fede molekyler kaldet lipider, der danner den ydre membran af næsten alle levende celler. I naturen, små dråber lavet af disse lipider - kendt som vesikler - knopper konstant ud fra overfladen af ​​vores celler med kemiske beskeder eller uønskede materialer indeni, så de kan transporteres sikkert til andre dele af kroppen.

Prof. Cauda og hendes team har forsøgt at kopiere dette ved at belægge deres nanokrystaller i vesikler produceret af celler dyrket i laboratoriet, så de også kan passere uskadeligt gennem kroppen. Overfladen af ​​vesiklerne kan også være besat med antistoffer mod specifikke kræftceller, hjælper dem med kun at skærpe ind på de celler, de ønsker at dræbe.

Når en vesikel finder en kræftcelle, dets antistoffer vil binde sig til overfladen, lader lipiderne smelte sammen med cellen og frigiver den giftige nanokrystall indeni. Og ved at dyrke nanoskaller fra celler taget fra en patients egen krop, Prof. Cauda mener, at det vil være muligt at skabe personlige behandlinger, der kan unddrage sig immunsystemet, mens de stadig dræber kræftceller.

Holdet har allerede testet nanoshell-tilgangen mod leukæmiceller og livmoderhalskræft i laboratoriet. Mens de håber at være i stand til at udføre menneskelige forsøg i fremtiden, Professor Cauda advarede om, at der stadig kan gå mange år, før de når dette stadie.

Fordele

Hvis det lykkes, imidlertid, denne nanomedicinske tilgang kunne give fordele sammenlignet med traditionelle kemoterapibehandlinger ved kun at målrette tumorceller, efterlader sundt væv upåvirket og reducerer dermed bivirkninger.

"Den nanomedicinske tilgang kunne tilbyde en stedselektiv og personlig behandling for patienten, " sagde prof. Cauda.

Denne tilgang, imidlertid, er stadig i høj grad afhængig af, at nanoshellene chancerer på kræftcellerne, når de cirkulerer i patientens blodstrøm, så de kan knytte sig til dem.

Et andet team af forskere arbejder på nano- og mikromaskiner, der aktivt kan være i stand til at forbedre dette ved at transportere behandlinger til det sted i kroppen, hvor de er nødvendige.

Dr. Larisa Florea, en materialeforsker ved Trinity College Dublin i Irland, leder et projekt kaldet ChemLife for at skabe miniaturekøretøjer, der kan bevæge sig af sig selv i en væske.

Kemotaksi

Holdet forsøger at efterligne en form for bevægelse kendt som kemotaksi, som anvendes af nogle basale mikroorganismer og sætter dem i stand til at bevæge sig gennem opløsninger fra lavt saltindhold til højt saltindhold, eller fra sure til alkaliske opløsninger, for eksempel.

Andre forskerhold i USA har tidligere vist, at menneskeskabte dråber meget præcist kan navigeres gennem komplekse labyrinter med denne tilgang. Dr. Florea og hendes kolleger har forsøgt at udvide dette ved at bruge lys til at kontrollere bevægelsen af ​​dråber.

De har skabt vesikellignende dråber, der parrer lysfølsomme molekyler med forbindelser kendt som overfladeaktive stoffer. Overfladeaktive stoffer findes almindeligvis i vaskemidler, men findes også almindeligt i mange biologiske systemer.

Når de udsættes for lys, de 'lysfølsomme' molekyler reagerer ved at ændre deres form, ændring af overfladespændingen på hver side af dråben. Dette får molekylerne i dråben til at flyde fra den ene side til den anden, kører den fremad, lidt som slidbanen på en tank.

Holdet har vist, at de nøjagtigt kan styre dråber gennem tredimensionelle rum og nå hastigheder på op til 10,4 mm pr. sekund (0,02 mph).

"Hvis du sammenligner hastigheden af ​​bevægelsen med størrelsen af ​​disse mikrodråber, de er hurtigere, pund for pund, end nogle af de bedste svømmere i verden, " sagde Dr. Florea.

De har også været i stand til at demonstrere, at deres dråbeformede køretøjer kan transportere last, leverer det til andre dråber for at udløse en kemisk reaktion. Det vækker håb om, at lignende metoder kan bruges til at levere medicin eller andre former for behandlinger til specifikke celler i kroppen.

Selvom det kan være svært at bruge lys til at navigere en lægemiddelbærende dråbe gennem kroppen, Dr. Florea og hendes kolleger har også udforsket brugen af ​​milde elektriske strømme.

Fremdrive

Teamet har også udviklet mere komplekse mikromaskiner, der kan svømme eller kravle gennem væsker som små bakterier. Ved at bruge meget præcise 3-D printteknikker, de har været i stand til at skabe hydrogelstrukturer omkring et par mikrometer i størrelse, som kan trække sig sammen og udvide sig for at drive en struktur fremad.

"Vi har lavet små blomsterlignende strukturer, for eksempel, der kan åbne og lukke som reaktion på forskellige stimuli, " sagde hun. "For eksempel kan den åbne ved en bestemt pH og lukke ved en anden."

Dette sker, fordi hydrogelerne udvider sig ved at absorbere vand og trækker sig sammen ved at udvise det i henhold til pH i den omgivende opløsning. Dr. Florea sagde, at de håber også at kontrollere bevægelsen af ​​hydrogeler med ændringer i temperatur eller lyspulser.

ChemLife-teamet bruger disse hydrogeler til at skabe strukturer med små roterende flageller-de små halelignende vedhæng, som nogle bakterier bruger til at drive sig selv. De skaber også ormelignende strukturer fra den samme slags hydrogeler, der kan kravle langs overflader eller gennem væsker.

"Det ultimative mål er at få disse mikrokøretøjer til at udføre handlinger som medicinafgivelse eller (kemisk) sensing, "sagde Dr. Florea." Men vi skal være realistiske, at dette måske ikke opnås i den nærmeste fremtid, da kroppen er et meget vanskeligt miljø. "

De små bevægelige strukturer kan også finde anvendelser på andre måder. Disse omfatter levering af kemikalier for bedre at forbedre industrielle reaktioner eller skabe bløde mikrogribere, der kan fjernaktiveres til at håndtere sarte komponenter som celler uden at beskadige dem.

"Når man ser på, hvad naturen kan opnå, mulighederne er uendelige, " tilføjede Dr. Florea.