(PhysOrg.com) -- Stel je voor dat je een tandenstoker op het hoofd kunt laten vallen van een bepaalde persoon die tussen de 100 staat, 000 mensen in een stadion. Het klinkt onmogelijk, toch is deze mate van precisie op cellulair niveau aangetoond door onderzoekers verbonden aan het Johns Hopkins University Institute for NanoBioTechnology. Hun studie werd in juni online gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Het team gebruikte precieze elektrische velden als 'pincet' om gouden nanodraden te geleiden en te plaatsen. elk ongeveer een-tweehonderdste van de grootte van een cel, op vooraf bepaalde plekken, elk op een enkele cel. Moleculen die de oppervlakken van de nanodraden bekleden, veroorzaakten vervolgens een biochemische cascade van acties alleen in de cel waar de draad elkaar raakte, zonder andere cellen in de buurt te beïnvloeden. De onderzoekers zeggen dat deze techniek kan leiden tot betere manieren om individuele cellen of zelfs celdelen te bestuderen. en zou uiteindelijk nieuwe methoden kunnen produceren voor het toedienen van medicatie.

Inderdaad, de technieken die niet op deze nieuwe op nanodraad gebaseerde technologie zijn gebaseerd, zijn ook niet erg nauwkeurig, wat leidt tot stimulatie van meerdere cellen, of complexe biochemische veranderingen van de cellen vereisen.

Met de nieuwe techniek kunnen de onderzoekers, bijvoorbeeld, doelcellen met kankereigenschappen (hogere celdelingssnelheid of abnormale morfologie), terwijl ze hun gezonde buren sparen.

"Een van de grootste uitdagingen in de celbiologie is het vermogen om de celomgeving zo nauwkeurig mogelijk te manipuleren, " zei hoofdonderzoeker Andre Levchenko, een universitair hoofddocent biomedische technologie aan de Whiting School of Engineering van Johns Hopkins. In eerdere onderzoeken is Levchenko heeft lab-on-a-chip of microfluïdische apparaten gebruikt om het celgedrag te manipuleren. Maar, hij zei, lab-on-a-chip-methoden zijn niet zo nauwkeurig als onderzoekers zouden willen. "In microfluïdische chips, als je de celomgeving verandert, het beïnvloedt alle cellen tegelijkertijd, " hij zei.

Dat is niet het geval met de gouden nanodraden, dat zijn metalen cilinders met een diameter van een paar honderd nanometer of kleiner. Net zoals de nietsvermoedende sporttoeschouwer slechts een lichte aanraking zou voelen van een tandenstoker die op het hoofd valt, de cel reageert alleen op de moleculen die vrijkomen uit de nanodraad op één heel precieze plaats waar de draad het celoppervlak raakt.

Met bijdragen van Chia-Ling Chien, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde aan de Krieger School of Arts and Sciences, en Robert Cammarata, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Whiting School, het team ontwikkelde nanodraden bedekt met een molecuul genaamd tumornecrosefactor-alfa (TNF-alfa), een stof die vrijkomt door pathogene macrofagen, gewoonlijk witte bloedcellen genoemd. Onder bepaalde cellulaire omstandigheden, de aanwezigheid van TNF-alfa zet cellen aan tot het inschakelen van genen die infecties helpen bestrijden, maar TNF-alfa is ook in staat tumorgroei te blokkeren en virale replicatie te stoppen.

Blootstelling aan te veel TNF-alfa, echter, zorgt ervoor dat een organisme in een potentieel dodelijke toestand komt die septische shock wordt genoemd, zei Levchenko.

Gelukkig, TNF-alfa blijft zitten zodra het van de draad naar het celoppervlak is losgelaten, en omdat het effect van TNF-alfa gelokaliseerd is, het kleine beetje dat door de draad wordt geleverd, is voldoende om de gewenste cellulaire respons te activeren. Hetzelfde gebeurt wanneer TNF-alfa wordt uitgescheiden door een witte bloedcel.

Aanvullend, de coating van TNF-alpha geeft de nanodraad een negatieve lading, waardoor de draad gemakkelijker te manoeuvreren is via de twee loodrechte elektrische velden van het "pincet" -apparaat, een techniek die is ontwikkeld door Donglei Fan als onderdeel van haar Johns Hopkins-doctoraatsonderzoek in materiaalwetenschap en techniek.

"De elektrische pincet is oorspronkelijk ontwikkeld om te monteren, transporteren en roteren van nanodraden in oplossing, " zei Cammarata. "Donglei liet toen zien hoe het pincet te gebruiken om nanodraadarrays met patronen te produceren en om nanomotoren en nano-oscillators te construeren. Dit nieuwe werk met de groep van Dr. Levchenko laat zien hoe extreem veelzijdig een techniek is."

Om het systeem te testen, het team kweekte baarmoederhalskankercellen in een schaaltje. Vervolgens, gebruikmakend van elektrische velden die loodrecht op elkaar staan, ze waren in staat om de nanodraden op een vooraf ingestelde plek te zappen en ze op een precieze locatie neer te ploffen. "Op deze manier, we kunnen vooraf het pad bepalen dat de draden zullen afleggen en een moleculaire lading leveren aan een enkele cel onder vele, en zelfs tot een specifiek deel van de cel, ' zei Levchenko.

In de loop van deze studie, het team stelde ook vast dat het gewenste effect dat wordt gegenereerd door de door nanodraad geleverde TNF-alfa vergelijkbaar was met dat van een cel in een levend organisme.

De teamleden zien veel mogelijkheden voor deze methode van subcellulaire molecuulafgifte.

"Bijvoorbeeld, er zijn veel andere manieren om de afgifte van het molecuul uit de draden te activeren:foto-release, chemische afgifte, temperatuur vrijgeven. Verder, men zou veel moleculen tegelijk aan de nanodraden kunnen hechten, " zei Levchenko. Hij voegde eraan toe dat de nanodraden veel kleiner kunnen worden gemaakt, maar zei dat voor deze studie de draden groot genoeg waren gemaakt om te zien met optische microscopie.

uiteindelijk, Levchenko ziet de nanodraden een handig hulpmiddel worden voor fundamenteel onderzoek.

"Met deze draden, we proberen de manier na te bootsen waarop cellen met elkaar praten, "zei hij. "Ze kunnen een prachtig hulpmiddel zijn dat kan worden gebruikt in fundamenteel of toegepast onderzoek." Toepassingen voor medicijnafgifte zouden veel verder weg kunnen zijn.

Levchenko zei, "Als de draden hun negatieve lading behouden, elektrische velden zouden kunnen worden gebruikt om hun positie in het levende weefsel te manipuleren en te manoeuvreren."