Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een manier gevonden om een ​​precieze dosis van een gentherapiemiddel rechtstreeks in een enkele levende cel te injecteren zonder naald.

De techniek maakt gebruik van elektriciteit om stukjes therapeutische biomoleculen door een klein kanaal in een fractie van een seconde in een cel te "schieten".

L. James Lee en zijn collega's van de Ohio State University beschrijven de techniek in de online editie van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , waar ze melden dat ze met succes specifieke doses van een antikankergen in individuele leukemiecellen hebben ingevoegd om ze te doden.

Ze hebben de methode "nanokanaalelektroporatie, " of NEP.

"NEP stelt ons in staat om te onderzoeken hoe medicijnen en andere biomoleculen de celbiologie en genetische routes beïnvloeden op een niveau dat niet haalbaar is met bestaande technieken, " zei Leen, die de Helen C. Kurtz hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering is en directeur van het NSF Nanoscale Science and Engineering Center for Affordable Nanoengineering of Polymeric Biomedical Devices in de staat Ohio.

Er zijn al lang manieren om willekeurige hoeveelheden biomateriaal in grote hoeveelheden cellen in te voegen voor gentherapie. En fijne naalden kunnen specifieke hoeveelheden materiaal in grote cellen injecteren. Maar de meeste menselijke cellen zijn te klein om zelfs de kleinste naalden van enig nut te kunnen zijn.

NEP omzeilt het probleem door een cel in een elektronisch apparaat op te hangen met een reservoir met therapeutisch middel in de buurt. Elektrische pulsen duwen het middel uit het reservoir en door een nanometer- (miljardste van een meter) schaalkanaal in het apparaat, door de celwand, en in de cel. Onderzoekers regelen de dosis door het aantal pulsen en de breedte van het kanaal aan te passen.

In Natuur Nanotechnologie , ze leggen uit hoe ze prototype-apparaten hebben gebouwd met behulp van polymeerstempels. Ze gebruikten individuele strengen DNA als sjablonen voor de kanalen ter grootte van nanometers.

Lee vond de techniek uit om strengen DNA af te wikkelen en ze in precieze patronen te vormen, zodat ze als draden konden werken in biologisch gebaseerde elektronica en medische apparaten. Maar voor deze studie goudgecoate DNA-strengen werden tussen twee reservoirs gespannen en vervolgens weggeëtst, om een ​​nanokanaal met precieze afmetingen achter te laten dat de reservoirs in het polymere apparaat verbindt.

Elektroden in de kanalen veranderen het apparaat in een klein circuit, en elektrische pulsen van een paar honderd volt reizen van het reservoir met het therapeutische middel door het nanokanaal naar een tweede reservoir met de cel. Dit creëert een sterk elektrisch veld aan de uitgang van het nanokanaal, die interageert met de natuurlijke elektrische lading van de cel om een ​​gat in het celmembraan te forceren - één groot genoeg om het middel af te geven, maar klein genoeg om de cel niet te doden.

Bij testen, ze waren in staat om agenten in slechts enkele milliseconden in cellen te plaatsen, of duizendsten van een seconde.

Eerst, ze labelden stukjes synthetisch DNA met fluorescerende moleculen, en gebruikten NEP om ze in menselijke immuuncellen in te voegen. Na een enkele puls van 5 milliseconden, ze begonnen fluorescentievlekken in de cellen te zien. Ze testten verschillende pulslengtes tot 60 milliseconden - die de cellen met fluorescentie vulden.

Om te testen of NEP actieve therapeutische middelen zou kunnen leveren, ze stopten stukjes therapeutisch RNA in leukemiecellen. Pulsen van slechts 5 milliseconden leverden genoeg RNA op om een ​​deel van de cellen te doden. Langere pulsen - bijna 10 milliseconden - doodden bijna allemaal. Ze hebben ook wat onschadelijk RNA ingebracht in andere leukemiecellen ter vergelijking, en die cellen leefden.

Momenteel, het proces is het meest geschikt voor laboratoriumonderzoek, Lee zei, omdat het maar op één cel of meerdere cellen tegelijk werkt. Maar hij en zijn team werken aan manieren om veel cellen tegelijk te injecteren. Ze ontwikkelen momenteel een mechanisch cellaadsysteem dat tot 100, 000 cellen tegelijk, die mogelijk klinische diagnostiek en behandelingen mogelijk zouden maken.

"We hopen dat NEP uiteindelijk een hulpmiddel kan worden voor vroege opsporing en behandeling van kanker - bijvoorbeeld, het inbrengen van precieze hoeveelheden genen of eiwitten in stamcellen of immuuncellen om hun differentiatie en veranderingen te begeleiden - zonder de veiligheidsproblemen veroorzaakt door overdosering, en vervolgens de cellen terug in het lichaam te plaatsen voor op cellen gebaseerde therapie, " voegde Lee eraan toe.

Hij ziet mogelijke toepassingen voor het diagnosticeren en behandelen van leukemie, longkanker, en andere tumoren. Hij werkt samen met onderzoekers van het Comprehensive Cancer Center van Ohio State om die mogelijkheden te verkennen.