Hoe nieuwe mogelijkheden in cellen te installeren zonder hun metabolische processen te verstoren? Een team van de Technische Universiteit van München (TUM) en het Helmholtz Zentrum München hebben zoogdiercellen zodanig veranderd dat ze kunstmatige compartimenten vormden waarin gesekwestreerde reacties konden plaatsvinden, waardoor de detectie van cellen diep in het weefsel en ook hun manipulatie met magnetische velden mogelijk is.

Prof. Gil Westmeyer, Professor of Molecular Imaging aan de TUM en hoofd van een onderzoeksteam aan het Helmholtz Zentrum München, en zijn team bereikten dit door in menselijke cellen de genetische informatie te introduceren voor het produceren van bacteriële eiwitten, zogenaamde encapsulines, die zichzelf assembleren tot nanosferen. Met deze methode konden de onderzoekers kleine, op zichzelf staande ruimtes - kunstmatige cellulaire compartimenten - in zoogdiercellen.

Beschermde gebieden met nieuwe eigendommen

De grote kracht van de bolletjes is dat ze niet giftig zijn voor de cel en dat er binnenin enzymatische reacties kunnen plaatsvinden zonder de stofwisselingsprocessen van de cel te verstoren. "Een van de cruciale voordelen van het systeem is dat we genetisch kunnen controleren welke eiwitten, bijvoorbeeld, fluorescerende eiwitten of enzymen, zijn ingekapseld in het binnenste van de nanosferen, " legt Felix Sigmund uit, de eerste auteur van de studie. "Zo kunnen we processen ruimtelijk scheiden en de cellen nieuwe eigenschappen geven."

Maar de nanobolletjes hebben ook een natuurlijke eigenschap die vooral belangrijk is voor het team van Westmeyer:ze kunnen ijzeratomen opnemen en die zo verwerken dat ze in de nanobolletjes blijven zonder de celprocessen te verstoren. Deze gesekwestreerde biomineralisatie van ijzer maakt de deeltjes en ook de cellen magnetisch. "Cellen op afstand zichtbaar en bestuurbaar maken door ze magnetisch te maken, is een van onze onderzoeksdoelen voor de lange termijn. De ijzerhoudende nanocompartimenten helpen ons een grote stap te zetten in de richting van dit doel, ", legt Westmeyer uit.

Magnetisch en praktisch

Vooral, dit maakt het gemakkelijker om cellen te observeren met behulp van verschillende beeldvormende methoden:Magnetische cellen kunnen ook in diepe lagen worden waargenomen met methoden die het weefsel niet beschadigen, zoals Magnetic Resonance Imaging (MRI). In samenwerking met Dr. Philipp Erdmann en Prof. Jürgen Plitzko van het Max Planck Instituut voor Biochemie, het team kon bovendien aantonen dat de nanosferen ook zichtbaar zijn in cryo-elektronenmicroscopie met hoge resolutie. Deze functie maakt ze nuttig als genreporters die de celidentiteit of celstatus direct kunnen markeren in elektronenmicroscopie, vergelijkbaar met de veelgebruikte fluorescerende eiwitten in lichtmicroscopie. Bovendien, er zijn zelfs extra voordelen:Magnetische cellen kunnen systematisch worden geleid met behulp van magnetische velden, waardoor ze kunnen worden gesorteerd en gescheiden van andere cellen.

Gebruik bij celtherapie mogelijk

Een mogelijk toekomstig gebruik van de kunstmatige cellulaire compartimenten is, bijvoorbeeld, cel-immunotherapieën, waar immuuncellen zodanig genetisch gemodificeerd zijn dat ze de kankercellen van een patiënt selectief kunnen vernietigen. Met de nieuwe nanocompartimenten in de gemanipuleerde cellen, de cellen kunnen in de toekomst mogelijk gemakkelijker worden gelokaliseerd via niet-invasieve beeldvormingsmethoden. "Met behulp van de modulair uitgeruste nanocompartimenten, we kunnen de genetisch gemodificeerde cellen misschien ook nieuwe metabole routes geven om ze efficiënter en robuuster te maken, " legt Westmeyer uit. "Er zijn natuurlijk veel obstakels die eerst in preklinische modellen moeten worden overwonnen, maar het vermogen om modulaire reactievaten in zoogdiercellen genetisch te controleren, zou zeer nuttig kunnen zijn voor deze benaderingen."