Voor de eerste keer, een team van scheikundigen en ingenieurs aan de Penn State University heeft kleine synthetische motoren in levende menselijke cellen geplaatst, voortgestuwd met ultrasone golven en magnetisch gestuurd. Het is niet bepaald "Fantastische Reis, " maar het is dichtbij. De nanomotoren, die raketvormige metaaldeeltjes zijn, bewegen in de cellen, draaien en slaan tegen het celmembraan.

"Terwijl deze nanomotoren bewegen en botsen op structuren in de cellen, de levende cellen vertonen interne mechanische reacties die niemand eerder heeft gezien, " zei Tom Mallouk, Evan Pugh hoogleraar materiaalchemie en natuurkunde aan Penn State. "Dit onderzoek is een levendige demonstratie dat het mogelijk zou kunnen zijn om synthetische nanomotoren te gebruiken om celbiologie op nieuwe manieren te bestuderen. We zouden nanomotoren kunnen gebruiken om kanker en andere ziekten te behandelen door cellen van binnenuit mechanisch te manipuleren. Nanomotoren zouden intracellulaire chirurgie kunnen uitvoeren en medicijnen niet-invasief af te leveren aan levende weefsels."

De bevindingen van de onderzoekers worden gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie op 10 februari 2014. Naast Mallouk, co-auteurs zijn onder meer Penn State-onderzoekers Wei Wang, Sixing Li, Suzanne Achmed, en Tony Jun Huang, evenals Lamar Mair van Weinberg Medical Physics in Maryland U.S.A.

Tot nu toe, Mallouk zei, nanomotoren zijn alleen "in vitro" bestudeerd in een laboratoriumapparaat, niet in levende menselijke cellen. Chemisch aangedreven nanomotoren werden tien jaar geleden voor het eerst ontwikkeld in Penn State door een team dat bestond uit scheikundige Ayusman Sen en natuurkundige Vincent Crespi, naast Mallouk. "Onze motoren van de eerste generatie hadden giftige brandstoffen nodig en ze zouden niet bewegen in biologische vloeistof, dus we konden ze niet bestuderen in menselijke cellen, "Zei Mallouk. "Die beperking was een serieus probleem." Toen Mallouk en de Franse natuurkundige Mauricio Hoyos ontdekten dat nanomotoren konden worden aangedreven door ultrasone golven, de deur stond open om de motoren in levende systemen te bestuderen.

Voor hun experimenten, het team gebruikt HeLa-cellen, een onsterfelijke lijn van menselijke baarmoederhalskankercellen die typisch wordt gebruikt in onderzoeksstudies. Deze cellen nemen de nanomotoren op, die vervolgens in het celweefsel bewegen, aangedreven door ultrasone golven. Bij laag ultrasoon vermogen, Mallouk legde uit, de nanomotoren hebben weinig effect op de cellen. Maar als de kracht wordt vergroot, de nanomotoren komen in actie, bewegen en botsen tegen organellen - structuren in een cel die specifieke functies vervullen. De nanomotoren kunnen fungeren als eierkloppers om de inhoud van de cel in wezen te homogeniseren, of ze kunnen fungeren als stormrammen om het celmembraan daadwerkelijk te doorboren.

Terwijl ultrasone pulsen bepalen of de nanomotoren ronddraaien of vooruit gaan, de onderzoekers kunnen de motoren nog verder sturen door ze te sturen, gebruikmakend van magnetische krachten. Mallouk en zijn collega's ontdekten ook dat de nanomotoren autonoom kunnen bewegen - onafhankelijk van elkaar - een vermogen dat belangrijk is voor toekomstige toepassingen. "Autonome beweging kan nanomotoren helpen om selectief de cellen te vernietigen die ze opslokken, " zei Mallouk. "Als je wilt dat deze motoren kankercellen opsporen en vernietigen, bijvoorbeeld, het is beter om ze onafhankelijk te laten bewegen. Je wilt niet dat een hele massa van hen in één richting gaat."

Het vermogen van nanomotoren om levende cellen te beïnvloeden is veelbelovend voor medicijnen, zei Mallouk. "Een droomtoepassing van ons is een medicijn in Fantastic Voyage-stijl, waar nanomotoren in het lichaam rond zouden cruisen, met elkaar communiceren en verschillende soorten diagnoses en therapieën uitvoeren. Er zijn tal van toepassingen voor het beheersen van deeltjes op deze kleine schaal, en begrijpen hoe het werkt, is wat ons drijft."