Een speciale klasse van kleine gouddeeltjes kan gemakkelijk door celmembranen glippen, waardoor ze goede kandidaten zijn om medicijnen rechtstreeks aan doelcellen te leveren.

Een nieuwe studie van MIT-materiaalwetenschappers onthult dat deze nanodeeltjes cellen binnendringen door gebruik te maken van een route die normaal wordt gebruikt bij de fusie van blaasjes en blaasjes. een cruciaal proces dat signaaloverdracht tussen neuronen mogelijk maakt. In het nummer van 21 juli van Natuurcommunicatie , de onderzoekers beschrijven in detail het mechanisme waarmee deze nanodeeltjes kunnen versmelten met een membraan.

De bevindingen suggereren mogelijke strategieën voor het ontwerpen van nanodeeltjes - gemaakt van goud of andere materialen - die nog gemakkelijker in cellen zouden kunnen komen.

"We hebben een type mechanisme geïdentificeerd dat mogelijk vaker voorkomt dan momenteel bekend is, " zegt Reid van Lehn, een MIT-afgestudeerde student in materiaalkunde en engineering en een van de hoofdauteurs van het artikel. "Door dit pad voor de eerste keer te identificeren, suggereert het niet alleen hoe deze specifieke klasse van nanodeeltjes kan worden ontwikkeld, maar dat dit pad mogelijk ook in andere systemen actief is."

De andere hoofdauteur van het artikel is Maria Ricci van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Zwitserland. Het onderzoeksteam, onder leiding van Alfredo Alexander-Katz, een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, en Francesco Stellacci van EPFL, ook wetenschappers van het Carlos Besta Institute of Neurology in Italië en de Durham University in het Verenigd Koninkrijk.

De meeste nanodeeltjes komen cellen binnen via endocytose, een proces dat de deeltjes opsluit in intracellulaire compartimenten, die het celmembraan kunnen beschadigen en ervoor kunnen zorgen dat celinhoud naar buiten lekt. Echter, in 2008, stellaire, die toen aan het MIT zat, en Darrell Irvine, een professor in materiaalkunde en engineering en van biologische engineering, ontdekte dat een speciale klasse van gouden nanodeeltjes bedekt met een mix van moleculen cellen zonder enige verstoring kon binnendringen.

"Waarom dit gebeurde, of hoe dit gebeurde, was een compleet mysterie, ', zegt Van Lehn.

Vorig jaar, Alexander Katz, van Lehn, stellaire, en anderen ontdekten dat de deeltjes op de een of andere manier versmolten met celmembranen en in de cellen werden geabsorbeerd. In hun nieuwe studie ze hebben gedetailleerde atomistische simulaties gemaakt om te modelleren hoe dit gebeurt, en voerde experimenten uit die de voorspellingen van het model bevestigden.

Stealth toegang

Gouden nanodeeltjes die worden gebruikt voor medicijnafgifte zijn meestal bedekt met een dunne laag moleculen die helpen bij het afstemmen van hun chemische eigenschappen. Sommige van deze moleculen, of liganden, zijn negatief geladen en hydrofiel, terwijl de rest hydrofoob is. De onderzoekers ontdekten dat het vermogen van de deeltjes om cellen binnen te dringen afhangt van interacties tussen hydrofobe liganden en lipiden die in het celmembraan worden aangetroffen.

Celmembranen bestaan ​​uit een dubbele laag fosfolipidemoleculen, die hydrofobe lipidestaarten en hydrofiele koppen hebben. De lipidestaarten zijn naar elkaar toe gericht, terwijl de hydrofiele koppen naar buiten gericht zijn.

In hun computersimulaties de onderzoekers creëerden eerst wat ze een "perfecte dubbellaag, " waarin alle lipidestaarten op hun plaats blijven in het membraan. Onder deze omstandigheden, de onderzoekers ontdekten dat de gouden nanodeeltjes niet konden samensmelten met het celmembraan.

Echter, als het modelmembraan een "defect" bevat - een opening waardoor lipidestaarten naar buiten kunnen glippen - beginnen nanodeeltjes het membraan binnen te gaan. Wanneer deze lipide-uitsteeksels optreden, de lipiden en deeltjes kleven aan elkaar omdat ze beide hydrofoob zijn, en de deeltjes worden door het membraan verzwolgen zonder het te beschadigen.

In echte celmembranen, deze uitsteeksels komen willekeurig voor, vooral in de buurt van plaatsen waar eiwitten in het membraan zijn ingebed. Ze komen ook vaker voor in gebogen delen van het membraan, omdat het voor de hydrofiele koppen moeilijker is om een ​​gebogen gebied volledig te bedekken dan een vlak gebied, waardoor openingen voor de lipide-staarten uitsteken.

"Het is een verpakkingsprobleem, " zegt Alexander-Katz. "Er is een open ruimte waar staarten naar buiten kunnen komen, en er zal watercontact zijn. Het maakt het gewoon 100 keer waarschijnlijker dat een van deze uitsteeksels naar buiten komt in sterk gebogen delen van het membraan."

De natuur nabootsen

Dit fenomeen lijkt een proces na te bootsen dat van nature in cellen voorkomt - de fusie van blaasjes met het celmembraan. Blaasjes zijn kleine bolletjes van membraanachtig materiaal die vracht vervoeren, zoals neurotransmitters of hormonen.

De overeenkomst tussen absorptie van blaasjes en het binnendringen van nanodeeltjes suggereert dat cellen waar van nature veel blaasjesfusie plaatsvindt, goede doelen kunnen zijn voor medicijnafgifte door gouden nanodeeltjes. De onderzoekers willen verder analyseren hoe de samenstelling van de membranen en de daarin ingebedde eiwitten het absorptieproces in verschillende celtypes beïnvloeden. "We willen alle beperkingen echt begrijpen en bepalen hoe we nanodeeltjes het beste kunnen ontwerpen om bepaalde celtypen te targeten, of gebieden van een cel, ', zegt Van Lehn.

"Je zou de resultaten van dit artikel kunnen gebruiken om na te denken over hoe deze bevindingen kunnen worden gebruikt in verbeterde voertuigen voor het afleveren van nanodeeltjes, bijvoorbeeld, misschien kunnen nieuwe oppervlakteliganden voor nanodeeltjes worden ontwikkeld om een ​​verbeterde affiniteit te hebben voor zowel oppervlaktegroepen als lipidestaarten, " zegt Catherine Murphy, een professor in de chemie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign die niet betrokken was bij het onderzoek.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.