Het vermogen om vracht zoals medicijnen of DNA in cellen af ​​te leveren is essentieel voor biologisch onderzoek en ziektetherapie, maar celmembranen zijn erg goed in het verdedigen van hun territorium. Onderzoekers hebben verschillende methoden ontwikkeld om het celmembraan te misleiden of te forceren, maar deze methoden zijn beperkt in het soort lading dat ze kunnen leveren en zijn niet bijzonder efficiënt.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een nieuwe methode ontwikkeld met behulp van gouden microstructuren om een ​​verscheidenheid aan moleculen met hoge efficiëntie en zonder blijvende schade in cellen af ​​​​te leveren. Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Nano .

"In staat zijn om grote en diverse ladingen effectief rechtstreeks in cellen te leveren, zal biomedisch onderzoek transformeren, " zei Nabiha Saklayen, een promovendus in het Mazur Lab bij SEAS en eerste auteur van het artikel. "Echter, geen enkel enkelvoudig bezorgsysteem kan alle dingen tegelijk doen die u moet doen. Intracellulaire toedieningssystemen moeten zeer efficiënt zijn, schaalbaar, en kosteneffectief en tegelijkertijd in staat om diverse ladingen te vervoeren en zonder schade aan specifieke cellen op een oppervlak af te leveren. Het is echt een grote uitdaging."

In eerder onderzoek is Saklayen en haar medewerkers toonden aan dat goud, piramidevormige microstructuren zijn erg goed in het focussen van laserenergie in elektromagnetische hotspots. In dit onderzoek, het team gebruikte een fabricagemethode genaamd sjabloonstrippen om oppervlakken te maken - ongeveer de grootte van een kwart - met 10 miljoen van deze kleine piramides.

"Het mooie van dit fabricageproces is hoe eenvoudig het is, " zei Marinna Madrid, co-auteur van de paper en promovendus in het Mazur Lab. "Met het strippen van sjablonen kun je siliconensjablonen voor onbepaalde tijd hergebruiken. Het duurt minder dan een minuut om elk substraat te maken, en elk substraat komt perfect uniform uit. Dat gebeurt niet vaak in nanofabricage."

Het team kweekte HeLa-kankercellen direct bovenop de piramides en omringde de cellen met een oplossing met moleculaire lading.

Met behulp van laserpulsen van nanoseconden, het team verwarmde de piramides totdat de hotspots aan de uiteinden een temperatuur van ongeveer 300 graden Celsius bereikten. Deze zeer plaatselijke verwarming - die de cellen niet aantastte - zorgde ervoor dat er bellen werden gevormd aan de punt van elke piramide. Deze bubbels dringen zachtjes hun weg naar het celmembraan, het openen van korte poriën in de cel en het toestaan ​​van de omringende moleculen om in de cel te diffunderen.

"We ontdekten dat als we deze poriën heel snel maakten, de cellen zouden zichzelf genezen en we konden ze in leven houden, gezond en delend voor vele dagen, ' zei Saklayen.

Elke HeLa-kankercel zat bovenop ongeveer 50 piramides, wat betekent dat de onderzoekers ongeveer 50 kleine poriën in elke cel konden maken. Het team kon de grootte van de bubbels regelen door de laserparameters te regelen en kon bepalen welke kant van de cel moest worden gepenetreerd.

De moleculen die in de cel werden afgeleverd waren ongeveer even groot als klinisch relevante ladingen, inclusief eiwitten en antilichamen.

Volgende, het team is van plan de methoden op verschillende celtypen te testen, inclusief bloedcellen, stamcellen en T-cellen. klinisch, deze methode zou kunnen worden gebruikt in ex vivo therapieën, waar ongezonde cellen uit het lichaam worden gehaald, gegeven lading zoals drugs of DNA, en opnieuw in het lichaam gebracht.

"Dit werk is echt opwindend omdat er zoveel verschillende parameters zijn die we kunnen optimaliseren om deze methode voor veel verschillende celtypen en ladingen te laten werken, " zei Saklayen. "Het is een zeer veelzijdig platform."

Het Office of Technology Development van Harvard heeft octrooiaanvragen ingediend en overweegt commercialiseringsmogelijkheden.

"Het is geweldig om te zien hoe de hulpmiddelen van de natuurkunde andere gebieden enorm vooruit kunnen helpen, vooral wanneer het nieuwe therapieën mogelijk maakt voor voorheen moeilijk te behandelen ziekten, " zei Eric Mazur, de Balkanski hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde en senior auteur van het papier.