(PhysOrg.com) -- Een van de beloften van nanogeneeskunde is het ontwerp van kleine deeltjes die zich kunnen nestelen in zieke cellen en erin kunnen doordringen. Nanodeeltjes kunnen medicijnen in cellen vervoeren en cellen markeren voor MRI en andere diagnostische tests; en ze kunnen uiteindelijk zelfs de celkern binnendringen om beschadigde genen te repareren. Helaas, het ontwerpen ervan brengt evenveel geluk met zich mee als techniek.

"Alles in de nanogeneeskunde is op dit moment wisselvallig, wat betreft het biologische lot van nanodeeltjes, "Zei Jennifer West, bio-ingenieursonderzoeker van Rice University. "Er is geen systematisch begrip van hoe een deeltje moet worden ontworpen om een ​​bepaald doel te bereiken in termen van waar het naartoe gaat in een cel of zelfs maar in een cel."

West's lab en 11 anderen in het Texas Medical Center - waaronder drie bij Rice's BioScience Research Collaborative - hopen dat te veranderen, dankzij een Grand Opportunity (GO)-subsidie ​​van $ 3 miljoen van de National Institutes of Health. NIH heeft het GO-subsidieprogramma opgezet met financiering van de American Recovery and Reinvestment Act (ARRA).

Een probleem waarmee wetenschappers tegenwoordig worden geconfronteerd, is dat nanodeeltjes in vele soorten en maten voorkomen en van zeer verschillende materialen kunnen worden gemaakt. Sommige nanodeeltjes zijn bolvormig. Anderen zijn lang en dun. Sommige zijn gemaakt van biologisch afbreekbaar plastic en andere van goud, koolstof of halfgeleidende metalen. En soms is maat - in plaats van vorm of materiaal - van het grootste belang.

West demonstreert dit met behulp van een video op haar computer die is gemaakt door Junghae Suh, onderzoeker van de Rice GO-beurs. De film is gemaakt door om de paar seconden een afbeelding te maken met een microscoop. In de video, tientallen deeltjes bewegen in een cel. De helft van de deeltjes is gemerkt met een rode fluorescerende kleurstof en beweegt heel langzaam. De rest is groen en ritst van plaats naar plaats.

"Deze zijn gemaakt van hetzelfde materiaal en hebben dezelfde chemie, " zei West, Rice's Isabel C. Cameron Professor en afdelingsvoorzitter van Bioengineering. "Het zijn gewoon verschillende maten. Toch kun je de diepgaande verschillen zien in hoe ze zich in de cel bewegen. Naarmate we verder gaan onderzoeken in het bereik van maten en bij het veranderen van de chemie van de deeltjes, we denken dat we waarschijnlijk een nog grotere impact zullen zien op waar dingen in de cel gaan."

De taak om te bepalen of dat het geval is, is aan Suh, assistent-professor in bio-engineering bij Rice. In tegenstelling tot andere onderzoeken in het veld, die vertrouwen op snapshots van dode cellen, Met de methode van Suh kunnen onderzoekers afzonderlijke deeltjes in levende cellen volgen. Haar laboratorium zal de methode gebruiken in zij-aan-zij vergelijkingen van deeltjes die door de andere 11 laboratoria in het onderzoek zijn geleverd.

In alles, acht klassen nanodeeltjes zullen worden bestudeerd. Deze omvatten lange, dunne buizen van pure koolstof genaamd fullerenen, kleine stipjes van halfgeleiders die kwantumstippen worden genoemd, puur gouden staven en bollen, evenals nanoshells -- nanodeeltjes uitgevonden bij Rice die bestaan ​​uit een glazen kern bedekt met een dunne gouden schaal. In aanvulling, Suh's lab zal organische deeltjes onderzoeken die gemaakt zijn van polyethyleenglycol en van chitosan.

"We zullen een methode gebruiken die single-particle tracking wordt genoemd om de dynamiek van nanodeeltjesbeweging in levende cellen vast te leggen, Suh zei. "Met behulp van confocale microscopie, we maken eerst films van de deeltjes terwijl ze door de cellen gaan. Vervolgens, we gebruiken beeldverwerkingssoftware om informatie te extraheren over hoe snel ze bewegen, tot welke regio's ze zich aangetrokken voelen, enz. Door de beweging en het lot van de verschillende nanodeeltjes te vergelijken die zijn ontworpen door de meerdere onderzoekslaboratoria, we hopen correlaties te identificeren tussen de fysisch-chemische eigenschappen van een nanodeeltje en hun intracellulaire gedrag."

Aan het einde van de tweejarige studie het team hoopt een database te hebben die de verwachte respons van deeltjes van een bepaalde grootte in kaart brengt, type en scheikunde. uiteindelijk, de hoop is om onderzoekers een hulpmiddel te bieden dat kan helpen voorspellen hoe een bepaald deeltje zich waarschijnlijk zal gedragen. Dat, beurtelings, zou onderzoekers kunnen helpen de ontwikkeling van nieuwe behandelingen voor ziekten te versnellen.

"We willen begrijpen waar de deeltjes in de cel terechtkomen, met welke organellen ze associëren, of ze al dan niet associëren met een van de cytoskeletstructuren en hoe ze in de cel bewegen, " Suh ​​zei. "Voor verschillende toepassingen, je zult willen dat je deeltjes naar verschillende plaatsen gaan. We moeten weten waar ze heen gaan en hoe ze zich gedragen, zodat we het juiste deeltje voor een bepaalde taak kunnen ontwerpen."

"We zijn heel blij dat we de kans krijgen om echt onze krachten te bundelen om dit te bestuderen, Suh zei. "Het is precies het soort probleem dat het soort steun vereist dat de NIH biedt met ARRA-financiering. Het is een probleem dat echt een multidisciplinair, interinstitutionele benadering.”

Andere hoofdonderzoekers van het project zijn Rebekah Drezek en Lon Wilson, beide rijst; Mauro Ferrari, Paolo Decuzzi, David Gorenstein, Jim Klostergaard, Chun Li, Gabriel Lopez-Berestein en Anil Sood, alle van de Universiteit van Texas Health Science Center in Houston; en Wah Chiu van het Baylor College of Medicine.

GO-subsidie ​​​​wordt verstrekt door het National Institute of General Medical Sciences van de NIH. NIH heeft het GO-subsidieprogramma opgezet om projecten te ondersteunen die zich richten op grote, specifieke onderzoeksinspanningen die waarschijnlijk zullen leiden tot groei op korte termijn en investeringen in biomedisch onderzoek en ontwikkeling, volksgezondheid en gezondheidszorg.

Geleverd door Rice University