Retningsbestemt kontrol af selvkørende protoceller

Syntetiske protoceller kan bringes til at bevæge sig mod og væk fra kemiske signaler, et vigtigt skridt for udviklingen af ​​nye lægemiddelleveringssystemer, der kunne målrettes mod specifikke steder i kroppen. Ved at belægge overfladen af ​​protocellerne med enzymer - proteiner, der katalyserer kemiske reaktioner - var et team af forskere ved Penn State i stand til at kontrollere retningen af ​​protocellens bevægelse i en kemisk gradient i en mikrofluidisk enhed. Et papir, der beskriver forskningen, udkommer den 18. november, 2019 i bladet Natur nanoteknologi .

"Den futuristiske vision er at få stoffer leveret af små 'bots', der kan transportere stoffet til det specifikke sted, hvor det er nødvendigt, " sagde Ayusman Sen, Verne M. Willaman professor i kemi ved Penn State og lederen af ​​forskerholdet. "I øjeblikket, hvis du tager et antibiotikum mod en infektion i dit ben, det diffunderer gennem hele din krop. Så, du skal tage en højere dosis for at få nok af antibiotika til dit ben, hvor det er nødvendigt. Hvis vi kan kontrollere retningen af ​​et lægemiddeltilførselssystem, vi reducerer ikke kun mængden af ​​det nødvendige lægemiddel, men kan også øge dets leveringshastighed."

En måde at adressere kontrollerende retning på er, at lægemiddelleveringssystemet genkender og bevæger sig mod specifikke kemiske signaler, der udgår fra infektionsstedet, et fænomen kaldet kemotaksi. Mange organismer bruger kemotaksi som en overlevelsesstrategi, at finde mad eller undslippe giftstoffer. Tidligere arbejde havde vist, at enzymer gennemgår kemotaktisk bevægelse, fordi de reaktioner, de katalyserer, producerer energi, der kan udnyttes. Imidlertid, det meste af arbejdet havde fokuseret på positiv kemotaksi, bevægelse mod et kemikalie. Indtil nu, der var gjort lidt arbejde med at se på negativ kemotaksi. "Tunable" kemotaxi - evnen til at kontrollere bevægelsesretning, mod og væk fra forskellige kemiske signaler - var aldrig blevet påvist.

Forskerne laver protoceller af ensartet størrelse, små sække kaldet liposomer, der har de samme komponenter, som udgør naturlige celler. De kan derefter vedhæfte forskellige enzymer til den ydre overflade af disse protoceller. De enzymer, de brugte til denne undersøgelse, var katalase, urease, og ATPase. Disse enzymer omdanner specifikke reaktanter til produkter; katalase for eksempel omdanner hydrogenperoxid til vand og oxygen.

"Vi placerer de enzymbelagte liposomer i en mikrofluidisk enhed, der opretholder en gradient af enten enzymets reaktant eller dets produkter, " sagde Ambika Somasundar, en kandidatstuderende ved Penn State og den første forfatter af papiret. "Vi kan derefter måle bevægelsen af ​​liposomerne mod eller væk fra specifikke kemikalier."

I deres eksperimenter, katalase-coatede protoceller bevægede sig mod deres reaktant, mens urease-coatede protoceller bevægede sig væk fra deres reaktant. ATPase-coatede protoceller bevægede sig både mod og væk fra reaktanten, afhængig af koncentrationen.

"For effektivt at levere medicin, du har brug for to ting:evnen til at bære stoffet og evnen til præcist at kontrollere bevægelse, "sagde Sen." Det indre af de protoceller, som vi bruger, kan fyldes med en nyttelast, og vi kommer nu tættere på at fint kontrollere deres bevægelse. "

Ud over Sen og Somasundar, forskergruppen i Penn State omfatter Subhadip Ghosh, Farzad Mohajerani, Lynnicia N. Massenburg, Tinglu Yang, Paul S. Cremer, og Darrell Velegol. Forskningen blev finansieret af U.S. National Science Foundations Center for Chemomechanical Assembly.