Nanoblasti iz nanočestica aktiviranih laserom pomiču molekule, proteine ​​i DNK u stanice
Nanoblasti iz nanočestica aktiviranih laserom pomiču molekule, proteine ​​i DNK u stanice
Anonim

Koristeći kemijske "nanoblaste" koji probijaju sićušne rupe u zaštitnim membranama stanica, istraživači su demonstrirali novu tehniku ​​za unošenje terapeutskih malih molekula, proteina i DNK izravno u žive stanice.

Ugljične nanočestice aktivirane rafalima laserskog svjetla pokreću sićušne eksplozije, koje otvaraju rupe u staničnim membranama dovoljno dugo da propuste terapeutska sredstva sadržana u okolnoj tekućini. Prilagodbom laserskog izlaganja, znanstvenici su dali spoj male molekule markera na 90 posto ciljanih stanica – dok su više od 90 posto stanica održavali na životu.

Istraživanje su sponzorirali Nacionalni instituti za zdravlje i Institut za znanost i tehnologiju papira na Georgia Techu. To će biti objavljeno u kolovoznom izdanju časopisa Nature Nanotechnology.

"Ova tehnika mogla bi nam omogućiti da isporučimo široku paletu terapeutika koji sada ne mogu lako ući u stanice", rekao je Mark Prausnitz, profesor na Školi kemijskog i biomolekularnog inženjerstva na Institutu za tehnologiju Georgia. "Jedna od najznačajnijih primjena ove tehnologije mogla bi biti terapija temeljena na genima, koja nudi veliko obećanje u medicini, ali čiji je napredak ograničen teškoćom unošenja DNA i RNA u stanice."

Vjeruje se da je ovaj rad prvi koji koristi aktivaciju nanočestica reaktivnog ugljika pomoću lasera za medicinske primjene. Potrebna su dodatna istraživanja i klinička ispitivanja prije nego što se tehnika može koristiti na ljudima.

Istraživači desetljećima pokušavaju učinkovitije utjerati DNK i RNA u stanice raznim metodama, uključujući korištenje virusa za prijenos genetskih materijala u stanice, prevlačenje DNA i RNA kemijskim agensima ili korištenje električnih polja i ultrazvuka za otvaranje staničnih membrana. Međutim, ove prethodne metode općenito su patile od niske učinkovitosti ili zabrinutosti za sigurnost.

Svojom novom tehnikom, koja je inspirirana ranijim radom na takozvanom "fotoakustičkom efektu", Prausnitz i suradnici Prerona Chakravarty, Wei Qian i Mostafa El-Sayed nadaju se bolje lokalizirati primjenu energije na stanične membrane, stvarajući sigurniji i učinkovitiji pristup za unutarstaničnu dostavu lijeka.

Njihova tehnika počinje uvođenjem čestica čađe promjera 25 nanometara – milijunti dio inča – u tekućinu koja okružuje stanice u koje se trebaju uvesti terapeutska sredstva. Rafali bliske infracrvene svjetlosti iz femotosekundnog lasera se zatim primjenjuju na tekućinu brzinom od 90 milijuna impulsa u sekundi. Ugljične nanočestice apsorbiraju svjetlost, što ih čini vrućima. Vruće čestice zatim zagrijavaju okolnu tekućinu kako bi se stvorila para. Para reagira s ugljičnim nanočesticama da nastane vodik i ugljični monoksid.

Dva plina tvore mjehur koji raste dok laser daje energiju. Mjehurić se iznenada sruši kada se laser isključi, stvarajući udarni val koji probija rupe u membranama obližnjih stanica. Otvori omogućuju ulazak terapeutskih sredstava iz okolne tekućine u stanice. Rupe se brzo zatvaraju kako bi stanica mogla preživjeti.

Istraživači su pokazali da mogu dobiti malu molekulu kalceina, protein goveđeg serumskog albumina i plazmidnu DNK kroz stanične membrane ljudskih stanica raka prostate i stanica gliosarkoma štakora pomoću ove tehnike. Upijanje kalceina uočeno je u 90 posto stanica na laserskim razinama koje su ostavile više od 90 posto stanica na životu.

"Mogli smo natjerati gotovo sve stanice da preuzmu te molekule koje inače ne bi ušle u stanice, a gotovo sve stanice su ostale žive", rekla je Prerona Chakravarty, glavna autorica studije. "Naš laserski aktivirani sustav nanočestica ugljika omogućuje kontrolirane implozije mjehurića koji mogu poremetiti stanične membrane tek toliko da uđu molekule bez nanošenja trajnog oštećenja."

Kako bi procijenili koliko dugo su rupe u staničnoj membrani ostale otvorene, istraživači su izostavili simulirane terapeutike iz tekućine kada su stanice bile izložene laserskom svjetlu, a zatim dodale agense jednu sekundu nakon isključivanja lasera. Nisu vidjeli gotovo nikakvo upijanje molekula, što sugerira da su se stanične membrane brzo ponovno zatvorile.

Kako bi potvrdili da je reakcija ugljik-para kritični čimbenik pokretanja nanoblasta, istraživači su zamijenili nanočestice zlata nanočesticama ugljika prije izlaganja laserskom svjetlu. Budući da im je nedostajao ugljik potreban za reakciju, nanočestice zlata proizvele su malo unosa molekula, primijetio je Prausnitz.

Slično, istraživači su zamijenili ugljikove nanocijevi za ugljične nanočestice, a također su izmjerili malo unosa, što su objasnili napomenom da su nanocijevi manje reaktivne od čestica čađe.

Eksperimentiranje je dalje pokazalo da je DNA uvedena u stanice laserski aktiviranom tehnikom ostala funkcionalna i sposobna pokretati ekspresiju proteina. Kada je plazmidna DNA koja je kodirala ekspresiju luciferaze uvedena u stanice raka, proizvodnja luciferaze se povećala 17 puta.

Za budućnost, istraživači planiraju proučavati korištenje jeftinijeg nanosekundnog lasera koji bi zamijenio ultrabrzi femtosekundni instrument korišten u istraživanju. Također planiraju optimizirati ugljikove nanočestice tako da se gotovo sve troše tijekom izlaganja laserskom svjetlu. Preostale ugljične nanočestice u tijelu ne bi smjele proizvoditi štetne učinke, iako ih tijelo možda neće moći eliminirati, istaknuo je Prausnitz.

"Ovo je prva studija koja pokazuje princip principa laserske aktivacije reaktivnih ugljikovih nanočestica za isporuku lijekova i gena", rekao je. "Pred nama je značajan put prije nego što se to može unijeti u medicinu, ali mi smo optimistični da ovaj pristup u konačnici može pružiti novu alternativu za sigurno i učinkovito dostavljanje terapeutskih sredstava u stanice."

Popularno po temi