Een van de belangrijkste redenen voor kankersterfte is het zeer invasieve gedrag van kankercellen, wat vaak te wijten is aan agressieve metastasen. Metastase wordt vergemakkelijkt door verschillende groeifactoren en cytokinen die worden uitgescheiden door cellen van het immuunsysteem, die via verschillende signaalroutes werken. Opmerkelijk, deze signaalroutes komen de kern binnen via het nucleaire poriecomplex (NPC), die geacht wordt op te treden als een poortwachter naar de kern. NPC is, in feite, een nanomachine bestaande uit meerdere kopieën van ongeveer 30 verschillende eiwitten, gezamenlijk nucleoporine genoemd.

Hoewel kleine moleculen vrij vrij door de kernporiën kunnen gaan, moleculen groter dan 40 kDa zouden dit alleen effectief kunnen doen door te binden aan specifieke transporteiwitten die interageren met FG-Nups (nucleoporines hebben herhalende eenheden van twee aminozuren fenylalanine (F) en glycine (G), dat zijn de tentakel-eiwitten met specifieke en selectieve rollen bij het transport van poriën. Hoewel er verschillende modellen worden voorgesteld, hoe FG-Nups deelneemt aan het kern-cytoplasmatransport blijft grotendeels onbekend. Niettemin, de gelijktijdige beoordeling van nanoscopische structuren en dynamiek is technisch niet haalbaar, een situatie die in heel celbiologisch onderzoek heerst. De directe visualisatie van NPC-dynamiek bij resolutie op nanoschaal werd als onmogelijk beschouwd.

Het onderzoeksteam van Kanazawa University heeft dit belangrijke probleem onderzocht en de baanbrekende resultaten verkregen door gecombineerde live-celbeeldvorming met hoge resolutie, elektronenmicroscopie, en high-speed AFM (HS-AFM) die door henzelf is ontwikkeld om de natieve nanoscopische ruimtelijke en temporele dynamiek in NPC-structuren in de darmkankercellen te onderzoeken.

Eerst, ze genereerden NPC-stabiele cellijnen die GFP (groen fluorescerend eiwit) tot expressie brachten en bevestigd door fluorescentiemicroscopie. Volgende, ze isoleerden de sterk gezuiverde nucleaire envelop die werd bevestigd door het gebruik van negatieve kleurelektronenmicroscopie en confocale microscopie. Vervolgens, ze begonnen met het observeren van spatiotemporele veranderingen op milliseconden- en nanometerschaal van de NPC-structuur in de oorspronkelijke toestand in darmkankercellen door live-celbeeldvorming met hoge resolutie en elektronenmicroscopie te combineren. Opmerkelijk, ze voerden de observatie uit van levende nucleaire envelop en nucleaire poriën met behulp van HS-AFM.

Het onderzoeksteam van Kanazawa University was, inderdaad, succesvol in het in beeld brengen van de dynamiek van NPC-eiwitten in kankercellen, die de bouwstenen zijn van de kernporie (Figuur 1). MLN8237/alisertib, een apoptotische en autofagische inductor, ondergaat momenteel verschillende klinische onderzoeken naar kanker. Van dit medicijn werd gemeld dat het de expressie en activiteiten van nucleoporine remt. De onderzoekers visualiseerden inheemse en met medicijnen behandelde FG-Nups door HS-AFM. Vooral, de verlengde en ingetrokken FG-Nups met het uiterlijk van een spinnenweb gingen verloren in met geneesmiddel behandelde monsters (Figuur 2). Het onderzoeksteam concludeerde dat via HS-AFM, ze visualiseerden de vervorming en het verlies van FG-Nups nucleaire poriebarrière, wat misschien wel de eerste nano-sterfcode is die ter wereld is ontdekt.

De huidige studie door het onderzoeksteam van Kanazawa University maakte visualisatie van de structuur en dynamiek van de kernmembraanporie op nanometerschaal mogelijk, en het is aangetoond dat vervorming en verlies van de poriënbarrière van het kernmembraan een van de stervende codes van kankercellen zou zijn. Deze bevindingen staan ​​voor een nieuw paradigma in ons begrip van nucleair transport, welke heeft, tot dit punt, bleef een raadselachtig probleem op het gebied van nanogeneeskunde en celbiologie. De huidige bevindingen zijn gebaseerd op de bekronende bio-imaging-technologie die is ontwikkeld aan de Kanazawa University. Deze studie heeft medische toepassingen, waaronder het optreden als een nieuwe "nano-endoscopie" om intracellulaire organellen zoals de kern en kernporiën te visualiseren, en moleculaire dynamiek in kankercellen en andere ziekten.