Engineering-onderzoekers van de Universiteit van Toronto hebben een set magnetische 'pincet' gebouwd die een kraal op nanoschaal in een menselijke cel in drie dimensies kan plaatsen met ongekende precisie. De nanobot is al gebruikt om de eigenschappen van kankercellen te bestuderen, en zou de weg kunnen wijzen naar een betere diagnose en behandeling.

Professor Yu Sun en zijn team bouwen al twintig jaar robots die individuele cellen kunnen manipuleren. Hun creaties hebben het vermogen om afzonderlijke cellen te manipuleren en te meten, wat handig is bij procedures zoals in-vitrofertilisatie en gepersonaliseerde geneeskunde. Hun laatste onderzoek, vandaag gepubliceerd in Wetenschap Robotica , brengt de technologie een stap verder.

"Tot dusver, onze robot is buiten een gebouw aan het verkennen, de bakstenen muur aanraken, en proberen te achterhalen wat er van binnen gebeurt, " zegt Sun. "We wilden een robot in het gebouw inzetten en alle kamers en constructies onderzoeken."

Het team heeft robotsystemen ontwikkeld die subcellulaire structuren in elektronenmicroscopen kunnen manipuleren, maar daarvoor moeten de cellen worden gevriesdroogd en in kleine plakjes worden gesneden. Om levende cellen te onderzoeken, andere teams hebben technieken gebruikt zoals lasers of akoestiek.

"Optisch pincet - waarbij lasers worden gebruikt om cellen te onderzoeken - is een populaire benadering, " zegt Xian Wang, de Ph.D. kandidaat die het onderzoek heeft uitgevoerd. De technologie werd geëerd met de Nobelprijs voor natuurkunde 2018, maar Wang zegt dat de kracht die het kan genereren niet groot genoeg is voor mechanische manipulatie en metingen die hij wilde doen.

"Je kunt proberen het vermogen te vergroten om meer kracht te genereren, maar je loopt het risico de subcellulaire componenten die je probeert te meten te beschadigen, " zegt Wang.

Het systeem dat Wang ontwierp, maakt gebruik van zes magnetische spoelen die in verschillende vlakken rond een dekglaasje van een microscoop zijn geplaatst dat is bezaaid met levende kankercellen. Een magnetische ijzeren kraal met een diameter van ongeveer 700 nanometer - ongeveer 100 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar - wordt op het dekglaasje geplaatst, waar de kankercellen het gemakkelijk opnemen in hun membranen.

Zodra de kraal binnen is, Wang regelt zijn positie met behulp van realtime feedback van confocale microscopie-beeldvorming. Hij gebruikt een computergestuurd algoritme om de elektrische stroom door elk van de spoelen te laten variëren, vormgeven van het magnetische veld in drie dimensies en het overhalen van de kraal naar elke gewenste positie in de cel.

"We kunnen de positie controleren tot op een paar honderd nanometer onder de Brownse bewegingslimiet, " zegt Wang. "We kunnen krachten uitoefenen die een orde van grootte hoger zijn dan mogelijk zou zijn met lasers."

In samenwerking met Dr. Helen McNeil en Yonit Tsatskis in het Mount Sinai Hospital en Dr. Sevan Hopyan in The Hospital for Sick Children (SickKids), het team gebruikte hun robotsysteem om blaaskankercellen in een vroeg stadium en later stadium te bestuderen.

Eerdere studies over celkernen vereisten hun extractie uit cellen. Wang en Sun maten celkernen in intacte cellen zonder de noodzaak om het celmembraan of het cytoskelet uit elkaar te halen. Ze konden aantonen dat de kern niet in alle richtingen even stijf is.

"Het is een beetje zoals een voetbal in vorm - mechanisch, het is stijver langs de ene as dan de andere, "zegt Sun. "Zonder deze nieuwe techniek hadden we dat niet geweten."

Ze waren ook in staat om precies te meten hoeveel stijver de kern werd als er herhaaldelijk op werd geprikt, en bepalen welk celeiwit of -eiwitten een rol kunnen spelen bij het beheersen van deze reactie. Deze kennis zou de weg kunnen wijzen naar nieuwe methoden om kanker te diagnosticeren.

"We weten dat in de cellen in een later stadium, de verstijvingsreactie is niet zo sterk, ", zegt Wang. "In situaties waarin kankercellen in een vroeg stadium en cellen in een later stadium er morfologisch niet heel anders uitzien, dit biedt een andere manier om ze uit elkaar te houden."

Volgens Zon, het onderzoek zou nog verder kunnen gaan.

"Je kunt je voorstellen dat je hele zwermen van deze nanobots binnenhaalt, en ze te gebruiken om ofwel een tumor uit te hongeren door de bloedvaten in de tumor te blokkeren, of direct vernietigen via mechanische ablatie, ", zegt Sun. "Dit zou een manier zijn om kankers te behandelen die resistent zijn tegen chemotherapie, radiotherapie en immunotherapie."

Deze toepassingen zijn nog ver verwijderd van klinische toepassing, maar Sun en zijn team zijn enthousiast over deze onderzoeksrichting. Ze zijn al bezig met vroege dierproeven met Dr. Xi Huang in SickKids.

"Het is nog niet helemaal Fantastic Voyage, " hij zegt, verwijzend naar de sciencefictionfilm uit 1966. "Maar we hebben een ongekende nauwkeurigheid bereikt in positie- en krachtcontrole. Dat is een groot deel van wat we nodig hebben om daar te komen, dus blijf op de hoogte!"