Met behulp van chemische "nanoblasten" die kleine gaatjes in de beschermende membranen van cellen slaan, onderzoekers hebben een nieuwe techniek gedemonstreerd om therapeutische kleine moleculen te krijgen, eiwitten en DNA direct in levende cellen.

Koolstof nanodeeltjes geactiveerd door uitbarstingen van laserlicht veroorzaken de kleine explosies, die gaten in celmembranen net lang genoeg openen om therapeutische middelen in de omringende vloeistof toe te laten. Door de laserbelichting aan te passen, de onderzoekers dienden een markerverbinding met een klein molecuul toe aan 90 procent van de beoogde cellen - terwijl ze meer dan 90 procent van de cellen in leven hielden.

Het onderzoek werd gesponsord door de National Institutes of Health en het Institute of Paper Science and Technology van Georgia Tech. Het zal worden gerapporteerd in het augustusnummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"Deze techniek zou ons in staat kunnen stellen een breed scala aan therapieën te leveren die nu niet gemakkelijk in cellen kunnen komen, " zei Mark Prausnitz, een professor aan de School of Chemical and Biomolecular Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Een van de belangrijkste toepassingen van deze technologie zou kunnen zijn voor op genen gebaseerde therapieën, die veelbelovend zijn in de geneeskunde, maar wiens vooruitgang is beperkt door de moeilijkheid om DNA en RNA in cellen te krijgen."

Er wordt aangenomen dat het werk de eerste is die activering van reactieve koolstofnanodeeltjes door lasers gebruikt voor medische toepassingen. Aanvullend onderzoek en klinische proeven zullen nodig zijn voordat de techniek bij mensen kan worden gebruikt.

Onderzoekers proberen al tientallen jaren DNA en RNA efficiënter in cellen te drijven met een verscheidenheid aan methoden, inclusief het gebruik van virussen om genetisch materiaal naar cellen te transporteren, het coaten van DNA en RNA met chemische middelen of het gebruik van elektrische velden en ultrageluid om celmembranen te openen. Echter, deze eerdere werkwijzen hebben in het algemeen te lijden gehad van lage efficiëntie of veiligheidsproblemen.

Met hun nieuwe techniek, die werd geïnspireerd door eerder werk over het zogenaamde "foto-akoestische effect, " Prausnitz en medewerkers Prerona Chakravarty, Wei Qian en Mostafa El-Sayed hopen de toepassing van energie op celmembranen beter te kunnen lokaliseren, het creëren van een veiligere en efficiëntere benadering voor intracellulaire medicijnafgifte.

Hun techniek begint met het introduceren van roetdeeltjes met een diameter van 25 nanometer - een miljoenste van een inch - in de vloeistof rond de cellen waarin de therapeutische middelen moeten worden geïntroduceerd. Uitbarstingen van nabij-infrarood licht van een femotoseconde laser worden vervolgens met een snelheid van 90 miljoen pulsen per seconde op de vloeistof aangebracht. De koolstof nanodeeltjes absorberen het licht, waardoor ze heet worden. De hete deeltjes verwarmen vervolgens de omringende vloeistof om stoom te maken. De stoom reageert met de koolstofnanodeeltjes om waterstof en koolmonoxide te vormen.

De twee gassen vormen een bel die groeit naarmate de laser energie levert. De bel stort plotseling in wanneer de laser wordt uitgeschakeld, het creëren van een schokgolf die gaten in de membranen van nabijgelegen cellen slaat. Door de openingen kunnen therapeutische middelen uit de omringende vloeistof de cellen binnendringen. De gaten sluiten snel zodat de cel kan overleven.

De onderzoekers hebben aangetoond dat ze het kleine molecuul calceïne konden krijgen, het runderserumalbumine-eiwit en plasmide-DNA door de celmembranen van menselijke prostaatkankercellen en rattengliosarcoomcellen met behulp van deze techniek. Opname van calceïne werd waargenomen in 90 procent van de cellen op laserniveaus die meer dan 90 procent van de cellen in leven lieten.

"We zouden bijna alle cellen ertoe kunnen brengen deze moleculen op te nemen die normaal niet in de cellen zouden komen, en bijna alle cellen bleven in leven, " zei Prerona Chakravarty, hoofdauteur van de studie. "Ons laser-geactiveerde koolstof nanodeeltjessysteem maakt gecontroleerde bellenimplosies mogelijk die de celmembranen net genoeg kunnen verstoren om de moleculen binnen te krijgen zonder blijvende schade aan te richten."

Om te beoordelen hoe lang de gaten in het celmembraan open bleven, de onderzoekers lieten de gesimuleerde therapieën uit de vloeistof toen de cellen werden blootgesteld aan het laserlicht, voegde vervolgens de agenten een seconde na het uitschakelen van de laser toe. Ze zagen bijna geen opname van de moleculen, wat suggereert dat de celmembranen zichzelf snel opnieuw verzegelden.

Om te bevestigen dat de koolstof-stoomreactie een kritische factor was die de nanoblasten aanstuurde, de onderzoekers vervingen gouden nanodeeltjes voor de koolstofnanodeeltjes vóór blootstelling aan laserlicht. Omdat ze de koolstof misten die nodig was voor de reactie, de gouden nanodeeltjes zorgden voor weinig opname van de moleculen, merkte Prausnitz op.

evenzo, de onderzoekers vervingen koolstof nanobuisjes voor de koolstof nanodeeltjes, en ook weinig opname gemeten, wat ze verklaarden door op te merken dat de nanobuisjes minder reactief zijn dan de roetdeeltjes.

Experimenten toonden verder aan dat DNA dat via de laser-geactiveerde techniek in cellen werd geïntroduceerd, functioneel bleef en in staat was om eiwitexpressie aan te sturen. Toen plasmide-DNA dat codeerde voor luciferase-expressie in de kankercellen werd geïntroduceerd, productie van luciferase 17-voudig verhoogd.

Voor de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om het gebruik van een goedkopere nanoseconde-laser te bestuderen om het ultrasnelle femtoseconde-instrument dat in het onderzoek wordt gebruikt, te vervangen. Ze zijn ook van plan om de koolstofnanodeeltjes te optimaliseren, zodat ze bijna allemaal worden verbruikt tijdens de blootstelling aan laserlicht. Overgebleven koolstof nanodeeltjes in het lichaam mogen geen schadelijke effecten hebben, hoewel het lichaam ze misschien niet kan elimineren, merkte Prausnitz op.

"Dit is de eerste studie die een principieel bewijs toont voor laseractivering van reactieve koolstofnanodeeltjes voor medicijn- en genafgifte, "zei hij. "Er is een aanzienlijk pad voor ons voordat dit in de geneeskunde kan worden gebracht, maar we zijn optimistisch dat deze benadering uiteindelijk een nieuw alternatief kan bieden voor het veilig en efficiënt afleveren van therapeutische middelen in cellen."