Wetenschappers zijn al jaren bezig om fundamenteel te begrijpen hoe nanodeeltjes door het menselijk lichaam bewegen. Een grote onbeantwoorde vraag is hoe de vorm van nanodeeltjes hun binnenkomst in cellen beïnvloedt. Nu hebben onderzoekers ontdekt dat onder typische kweekomstandigheden, zoogdiercellen geven de voorkeur aan schijfvormige nanodeeltjes boven die in de vorm van staafjes.

Begrijpen hoe de vorm van nanodeeltjes hun transport naar cellen beïnvloedt, zou een belangrijke stimulans kunnen zijn voor het gebied van nanogeneeskunde door wetenschappers te helpen betere therapieën voor verschillende ziekten te ontwerpen, zoals het verbeteren van de werkzaamheid en het verminderen van bijwerkingen van kankermedicijnen.

Naast nanodeeltjesgeometrie, de onderzoekers ontdekten ook dat verschillende soorten cellen verschillende mechanismen hebben om nanodeeltjes van verschillende groottes aan te trekken, die voorheen niet bekend was. Het onderzoeksteam gebruikte ook theoretische modellen om de fysieke parameters te identificeren die cellen gebruiken bij het opnemen van nanodeeltjes.

"Dit onderzoek identificeerde enkele zeer nieuwe maar fundamentele aspecten waarin cellen interageren met de vorm van nanodeeltjes, " zei Krishnendu Roy, die onlangs toetrad tot de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering aan Georgia Tech en Emory University. Roy voerde dit onderzoek uit aan de Universiteit van Texas in Austin in samenwerking met Profs. S.V. Sreenivasan en Li Shi, maar zet het werk bij Georgia Tech voort.

De studie zou in de week van 7 oktober worden gepubliceerd in de vroege online editie van het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences . Het werk werd gesponsord door de National Science Foundation en de National Institutes of Health.

Roy's team gebruikte een unieke benadering om de verschillend gevormde nanodeeltjes te maken. De onderzoekers pasten een afdruktechnologie aan die wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie en bewerkten deze om te werken met biologische moleculen, zei Roy. Deze afdruktechniek, die ze ontwikkelden aan de UT-Austin, werkt als een koekjesvormer, maar dan op nanoschaal. Geneesmiddelen worden gemengd met een polymeeroplossing en aangebracht op een siliciumwafel. Vervolgens wordt een vorm op het polymeer-geneesmiddelmengsel gedrukt met behulp van een kwartssjabloon. Het materiaal wordt vervolgens gestold met behulp van UV-licht. Wat de sjabloon van de koekjesvormer ook is - driehoek, hengel, schijf - een nanodeeltje met die vorm wordt geproduceerd. Een ander belangrijk kenmerk van de nanodeeltjes is dat ze negatief geladen zijn en hydrofiel zijn, attributen die ze relevant maken voor klinisch gebruik bij de toediening van geneesmiddelen.

"We hebben uitstekende controle over de vormen en maten, " zei Roy, die een Wallace H. Coulter Distinguished Faculty Fellow is.

Zijn team gebruikte vervolgens deeltjes van verschillende vormen en maten om te zien hoe verschillende soorten gekweekte zoogdiercellen erop zouden reageren. De materialen en oppervlakteladingen van de deeltjes waren allemaal hetzelfde, alleen de vormen verschilden.

Roy's team verwachtte niet dat cellen de voorkeur zouden geven aan schijven boven staafjes. Ze ontdekten dat in celcultuur, in tegenstelling tot sferische nanodeeltjes, grotere schijven en staven worden efficiënter opgenomen, een bevinding die ook onverwacht was. Toen ze theoretische berekeningen uitvoerden, ontdekten ze dat de energie die een celmembraan nodig heeft om te vervormen en om een ​​nanodeeltje te wikkelen, lager is voor schijven dan voor staafjes en dat zwaartekrachten en oppervlakte-eigenschappen een belangrijke rol spelen bij de opname van nanodeeltjes in cellen.

"De reden dat dit niet is onderzocht, is dat we niet de tools hadden om deze nauwkeurig gevormde nanodeeltjes te maken, "Zei Roy. "Slechts in de afgelopen zeven of acht jaar zijn er een paar groepen geweest die met deze hulpmiddelen zijn gekomen om polymeerdeeltjes van verschillende groottes en vormen te maken, vooral op nanoschaal."

Cellen nemen nanodeeltjes op via een proces dat endocytose wordt genoemd, maar afhankelijk van de vorm en het celtype, specifieke opnameroutes worden geactiveerd, ontdekte het team. Sommige cellen vertrouwen op eiwitten in hun membranen die caveolin worden genoemd; anderen gebruiken een ander membraaneiwit, bekend als clathrine.

Begrijpen hoe cellen reageren op de vormen van nanodeeltjes is niet alleen belangrijk voor het afleveren van medicijnen, maar ook voor het begrijpen van de toxiciteit van nanomaterialen die in consumentenproducten worden gebruikt. Roy's nieuwe werk levert een nieuw stukje op om deze puzzel op te lossen.

"Mensen maken verschillende dingen op nanoschaal met verschillende materialen zonder hun interacties met cellen fundamenteel te begrijpen, ' zei Roy.

In toekomstig werk bij Georgia Tech, Het lab van Roy wil onderzoeken hoe de vormen van nanomaterialen hun transport en functie beïnvloeden in diermodellen. Dit geeft onderzoekers een beter idee hoe de deeltjes in tumoren terechtkomen, gaan over slijmvliesoppervlakken en verspreiden zich in organen, en uiteindelijk hulp bij klinische therapieën.

"99,9 procent van ons werk moet nog worden gedaan, wat we hier bij Tech willen blijven doen in samenwerking met onderzoekers van de UT, ' zei Roy.