Het is al lang bekend dat asbest problemen veroorzaakt voor menselijke cellen. Wetenschappers hebben cellen gezien die zijn gestoken met stekelige, lange asbestvezels, en het beeld is bloederig:een deel van de vezel steekt uit de cel, als een trillende pijl die zijn doel heeft gevonden.

Maar wetenschappers hadden niet kunnen begrijpen waarom cellen geïnteresseerd zouden zijn in asbestvezels en andere materialen op nanoschaal die te lang duren om volledig te worden opgenomen. Nu legt een groep onderzoekers van Brown University uit wat er gebeurt. Door moleculaire simulaties en experimenten, het team meldt zich Natuur Nanotechnologie dat bepaalde nanomaterialen, zoals koolstof nanobuisjes, ga de cellen met de tip eerst binnen en bijna altijd in een hoek van 90 graden. De oriëntatie houdt de cel voor de gek; door eerst de afgeronde punt in te nemen, de cel ziet het deeltje voor een bol, in plaats van een lange cilinder. Tegen de tijd dat de cel beseft dat het materiaal te lang is om volledig te worden opgenomen, het is te laat.

"Het is alsof we een lolly zouden eten die langer is dan wij, " zei Huajian Gao, professor in de techniek bij Brown en de corresponderende auteur van het artikel. "Het zou vastlopen."

Het onderzoek is belangrijk omdat nanomaterialen zoals koolstofnanobuisjes veelbelovend zijn in de geneeskunde, zoals het optreden als voertuigen om medicijnen naar specifieke cellen of naar specifieke locaties in het menselijk lichaam te transporteren. Als wetenschappers volledig kunnen begrijpen hoe nanomaterialen interageren met cellen, dan kunnen ze mogelijk producten ontwerpen die cellen helpen in plaats van ze schaden.

"Als we (nanomateriaal-celdynamica) volledig kunnen begrijpen, we kunnen andere buizen maken die kunnen bepalen hoe cellen interageren met nanomaterialen en niet giftig zijn, " zei Gao. "Uiteindelijk willen we de aantrekkingskracht tussen de nanotip en de cel stoppen."

Zoals asbestvezels, in de handel verkrijgbare koolstofnanobuizen en gouden nanodraden hebben afgeronde uiteinden die vaak variëren van 10 tot 100 nanometer in diameter. Grootte is hier belangrijk; de diameter past goed binnen de parameters van de cel voor wat het aankan. Borstelen tegen de nanobuis, speciale eiwitten genaamd receptoren op de cel komen in actie, clusteren en buigen van de membraanwand om de cel rond de nanobuistip te wikkelen in een volgorde die de auteurs 'tipherkenning' noemen. Als dit gebeurt, de nanobuis is gekanteld in een hoek van 90 graden, waardoor de hoeveelheid energie die de cel nodig heeft om het deeltje te verzwelgen, vermindert.

Zodra de overspoeling - endocytose - begint, er is geen weg terug. Binnen enkele minuten, de cel voelt dat het de nanostructuur niet volledig kan opslokken en belt in wezen 911. "In dit stadium, het is te laat, "Zei Gao. "Het zit in de problemen en roept om hulp, het veroorzaken van een immuunrespons die herhaalde ontsteking kan veroorzaken."

Het team veronderstelde de interactie met behulp van grofkorrelige moleculaire dynamische simulaties en afgedekte meerwandige koolstofnanobuisjes. In experimenten met nanobuisjes en gouden nanodraden en muizenlevercellen en menselijke mesotheelcellen, de nanomaterialen kwamen ongeveer 90 procent van de tijd met de tip-first de cellen binnen en in een hoek van 90 graden, melden de onderzoekers.

"We dachten dat de buis op het celmembraan zou gaan liggen om meer bindingsplaatsen te verkrijgen. onze simulaties onthulden dat de buis gestaag roteerde tot een hoge instapgraad, met zijn punt volledig omwikkeld, " zei Xinghua Shi, eerste auteur van de krant die is gepromoveerd bij Brown en is verbonden aan de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking. "Het is contra-intuïtief en is voornamelijk te wijten aan het vrijkomen van buigenergie terwijl het membraan de buis omhult."

Het team wil onderzoeken of nanobuisjes zonder afgeronde uiteinden - of minder rigide nanomaterialen zoals nanolinten - hetzelfde dilemma vormen voor cellen.

"Interessant, als de afgeronde punt van een koolstofnanobuis wordt afgesneden (wat betekent dat de buis open en hol is), de buis ligt op het celmembraan, in plaats van de cel binnen te gaan onder een hoge hoek, ' zei Shi.