Bio-ingenieurs kunnen mogelijk de unieke mechanische eigenschappen van zieke cellen gebruiken, zoals uitgezaaide kankercellen, om de levering van medicamenteuze behandelingen aan de beoogde cellen te helpen verbeteren, volgens een team van onderzoekers van Penn State.

Veel laboratoria over de hele wereld ontwikkelen op nanodeeltjes gebaseerde, medicijnafgiftesystemen om tumoren selectief te targeten. Ze vertrouwen op een key-and-lock-systeem waarbij eiwitsleutels op het oppervlak van het nanodeeltje in de sloten van een sterk tot expressie gebracht eiwit op het oppervlak van de kankercel klikken. Het celmembraan wikkelt zich vervolgens om het nanodeeltje en neemt het op. Als er genoeg van de nanodeeltjes en hun drugslading wordt ingenomen, de kankercel zal sterven.

De houdkracht van het slot en de sleutel drijft het nanodeeltje de cel in, zei Sulin Zhang, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica.

"Het is bijna universeel dat wanneer er een drijvende kracht is voor een proces, er is altijd een weerstandskracht, "Zhang zei. "Hier, de drijvende kracht is biochemisch - de eiwit-eiwit interactie."

De weerstandskracht is de mechanische energiekost die nodig is om het membraan rond het nanodeeltje te wikkelen. Tot nu, bio-ingenieurs hielden alleen rekening met de drijvende kracht en ontwierpen nanodeeltjes om de chemische interacties te optimaliseren, een targetingstrategie genaamd 'chemotargeting'. Zhang is van mening dat ze ook rekening moeten houden met de mechanica van de cellen om nanodeeltjes te ontwerpen om verbeterde targeting te bereiken, die een nieuwe targetingstrategie vormt die 'mechanotargeting' wordt genoemd.

"Deze twee targetingstrategieën zijn complementair; je kunt chemotargeting en mechanotargeting combineren om het volledige potentieel van op nanodeeltjes gebaseerde diagnostische en therapeutische middelen te bereiken, "Zei Zhang. "Het feit is dat het richten op efficiëntie een delicaat evenwicht vereist tussen aandrijf- en weerstandskrachten. Bijvoorbeeld, als er te veel sleutels op het oppervlak van de nanodeeltjes zijn, ook al werken deze sleutels slechts zwak samen met de niet-overeenkomende sloten op normale cellen, deze zwakke, off-target interacties kunnen nog steeds voldoende adhesie-energie leveren voor de nanodeeltjes om het celmembraan binnen te dringen en de gezonde cellen te doden."

Anderzijds, als de adhesie-energie niet hoog genoeg is, het nanodeeltje komt niet in de cel.

In "Mechanotargeting:mechanica-afhankelijke cellulaire opname van nanodeeltjes, " online gepubliceerd voor print in het tijdschrift Geavanceerde materialen , Zhang en het team rapporteren de resultaten van experimenten met kankercellen die zijn gekweekt op hydrogels met variabele stijfheid. Op zachte hydrogels bleven de cellen samenhangend en goedaardig en ondervonden ze een bijna constante stress die de opname van de nanodeeltjes beperkte. Maar op stijve hydrogels werden de cellen uitgezaaid en namen ze een driedimensionale vorm aan, biedt meer oppervlakte voor nanodeeltjes om te hechten, en werd minder gestrest. Onder deze voorwaarde, de cellen namen vijf keer zoveel nanodeeltjes in beslag als de goedaardige cellen.

"De nanodeeltjes zijn fluorescerend, dus tellen we het aantal nanodeeltjes dat in de cel komt door de fluorescentie-intensiteit. We vonden dat in de kwaadaardige cellen de intensiteit vijf keer hoger is, "Zei Zhang. "Dat bewijst dat mechanotargeting werkt."