Ny teknologi gør det muligt for molekyler at komme sikkert ind i celler

Professor Kevin Braeckmans fra Gent Universitet fokuserede de sidste 10 år på en metode til sikker konstruktion af terapeutiske celler med fototermiske nanofibre. I dag er Nature Nanotechnology giver indsigt i, hvordan disse biokompatible fototermiske nanofibre blev udviklet, og hvordan, efter laserbestråling, celler, der kommer i kontakt med disse nanofibre, bliver permeabiliserede og kan transficeres med en række effektormolekyler, herunder CRISPR/Cas9 ribonukleoproteinkomplekser og siRNA. Professor Braeckmans og hans team demonstrerede, at celler, såsom embryonale stamceller og humane T-celler, transficeret med sådanne nanofibre, har et fremragende helbred og bevarer deres terapeutiske funktionalitet.

Nyt grundlag for cellebaserede terapier

Cellebaserede terapier udgør en nyere behandlingsform, hvor genetisk modificerede celler injiceres i patienten for at forebygge eller behandle sygdomme. Et velkendt eksempel er brugen af ​​en cancerpatients egne immunceller, som kan isoleres, genetisk modificeres og udvides i et laboratoriemiljø og reinfunderes i patienten for at angribe tumorcellerne. Genetisk modifikation af celler afhænger af intracellulære leveringsteknologier, som ofte kæmper med at opnå tilstrækkelig effektivitet, mens de har minimal indvirkning på cellens sundhed og funktion.

Nanopartikel-sensibiliseret fotoporation er særligt lovende i denne henseende, da det typisk giver høj effektivitet, høj gennemstrømning og lav toksicitet. Den er baseret på brugen af ​​lysfølsomme nanopartikler, såsom guldnanopartikler (NP'er), som kan danne eksplosive nanobobler ved pulserende laserbestråling. Disse små eksplosioner kan inducere små porer i cellemembraner, hvilket tillader eksterne effektormolekyler suppleret i cellemediet at trænge ind i celler. Men oversættelse af nanopartikel-sensibiliseret fotoporation til kliniske applikationer hindres af det faktum, at celler har været i kontakt med (ikke-nedbrydelige) nanopartikler, hvilket udgør toksikologiske og regulatoriske bekymringer.

Derfor er der behov for en ny tilgang, der bevarer fordelen ved nanopartikel-sensibiliseret fotoporation, samtidig med at man undgår direkte kontakt med nanopartikler og celler. Som vist i figuren ovenfor indlejrede professor Braeckmans og hans team fototermiske jernoxid-nanopartikler (IONP'er) i biokompatible polymere nanofibre, som blev produceret ved elektrospinning. Polycaprolacton (PCL) er en biokompatibel polymer, der er meget udbredt i biomedicinske applikationer, mens IONP'er er omkostningseffektive og har et bredt lysabsorptionsspektrum.

De viser, at både adhærente og suspensionsceller kan transficeres sikkert og effektivt med en række makromolekyler ved bestråling med nanosekunds laserimpulser. Ved at udføre elementær analyse via induktivt koblet plasma-tandem massespektrometri (ICP-MS/MS), bekræfter de, at IONP'er forbliver sikkert indlejret i nanofibrene efter laserbestråling, så de behandlede celler effektivt er fri for direkte eksponering for nanopartikler. Numeriske simuleringer af varmeoverførsel fra fiberindlejrede IONP'er til nærliggende celler blev udført for bedre at forstå, hvordan laserpulsfluensen, IONP-fordelingen og aggregeringstilstanden påvirker cellemembranpermeabiliteten.

Eksperimentelt viste holdet, at fotoporation med fototermiske nanofibre med succes kunne levere funktionelle biologiske molekyler, herunder siRNA eller CRISP-Cas9 ribonukleoproteiner (RNP'er), til både adhærente og suspensionsceller, herunder humane embryonale stamceller (hESC) og primære humane T-celler. Som benchmark blev der foretaget en sammenligning med state-of-the-art elektroporation. Mens elektroporerede celler led af ændringer i deres fænotype og funktionalitet, var dette ikke tilfældet for fotoporerede celler, som beholdt deres evne til at formere sig og, i tilfælde af CAR-T-celler, til at dræbe tumorceller. Endelig blev PEN-fotoporation brugt til at transficere CAR-T-celler med siRNA rettet mod PD1-receptoren, en velkendt immuncheckpoint-hæmmer. siPD1-behandlede celler blev bekræftet at have øget tumordræbende kapacitet in vivo.

Sammen viser det, at fotoporering med fototermiske nanofibre muliggør effektiv og sikker intracellulær levering af en bred vifte af effektormolekyler i en række celletyper uden kontakt med potentielt toksiske fototermiske nanopartikler. "Vi mener, at dette er et vigtigt skridt hen imod brugen af ​​fotoporation til sikker og effektiv produktion af genmodificerede celleterapier," siger professor Braeckmans. + Udforsk yderligere

Titaniumoxid-nanorør letter lavpris laserassisteret fotoporering