Een onderzoeksteam van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Toyohashi University of Technology ontwikkelde een nanoseconde pulslaser-ondersteunde fotoporatiemethode met behulp van titaniumoxide nanobuisjes (TNT) voor zeer efficiënte en goedkope intracellulaire levering. De resultaten van hun onderzoek worden gepubliceerd in de Toegepaste oppervlaktewetenschap op 30 maart 2021, 148815.

Het potentieel om externe moleculen af ​​te leveren in levende cellen met een hoge levensvatbaarheid en transfectievermogen is van groot belang in celbiologie voor diagnostiek, medicijnafgifte, en therapeutische ontwikkeling naar celtherapie en regeneratieve geneeskunde. Over vele jaren, medicijnafgiftesystemen zijn gevorderd om meer controle over de medicijndosering te krijgen, gerichte levering, en minder bijwerkingen. Deze technieken kunnen worden geclassificeerd als viraal, fysiek, of chemische methoden.

Onder deze methoden, fotoporatie is in opkomst en is de laatste jaren populair geworden voor intracellulaire toediening, door minder invasiviteit. Bij deze methode, gouden nanodeeltjes, die gepulseerd licht absorberen, worden gedispergeerd in een oplossing om de cellen te perforeren, echter, de materialen zijn duur. Het is wenselijk om nanomaterialen te gebruiken die minder duur zijn met behoud van een hoge afgifte-efficiëntie en levensvatbaarheid van de cellen.

De onderzoeksgroep ontwierp en fabriceerde een kosteneffectieve nanobuis-array voor intracellulaire levering op basis van fotoporatie. TNT's werden gevormd op titaniumplaten bij verschillende spanningen en tijden met behulp van de elektrochemische anodisatietechniek. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) onthulde de aanwezigheid van verschillende titaniumoxidesoorten zoals TiO ₂ en TixOy (TiO/Ti ₂ O ₃ /Ti ₃ O ₅ ). TNT's gevormd door verschillende anodisatiespanningen en -tijden hadden verschillende concentraties van dergelijke oxidatiesoorten samen met een kleine hoeveelheid Ti-metaal (Ti0). Door de vorming van zuurstofgebreken, nanobuisjes hebben quasi-metalen en metallische eigenschappen. Deze eigenschappen van de nanobuisjes kunnen de intracellulaire afgifte door verschillende mechanismen vergemakkelijken na bestraling met een nanoseconde pulslaser.

HeLa-menselijke baarmoederhalskankercellen werden gekweekt op TNT's en er werd een biomoleculaire oplossing geïntroduceerd. Na blootstelling aan een 532 nm pulslaser op nanobuisjes, we hebben met succes propidiumjodide (PI) en dextran in de HeLa-menselijke baarmoederhalskankercellen afgeleverd met een hoge efficiëntie en levensvatbaarheid van de cellen.

Mogelijke principes van celmembraanperforatie omvatten thermisch gemedieerde nanobellen, fotochemisch geïnduceerde reactieve zuurstofsoorten (ROS), warmteoverdracht van nanobuisjes naar het celmembraan, en gelokaliseerde oppervlakte plasmonresonantie hoge elektromagnetische veldverbetering op elke nanobuis. Dit leidt tot de vorming van cavitatie-nanobellen in elk celmembraan-nanobuis-interface die snel kunnen groeien, samensmelten, en instorten om explosies te veroorzaken, resulterend in celmembraanperforatie, waardoor biomoleculen van buiten naar binnen in de cellen kunnen worden afgeleverd. "Het precieze mechanisme voor de intracellulaire levering op TNT-gebaseerde fotoporatie is nog steeds onduidelijk. Intracellulaire levering kan gebeuren door de combinatie van de mechanismen, " zegt L. Mohan, een onderzoeker, aan de Toyohashi University of Technology.

Moeto Nagai, de teamleider, aan de Toyohashi University of Technology, is van mening dat nanobuisjes van titaniumoxide een veelzijdig en goedkoop platform kunnen zijn voor intracellulaire toediening met behulp van gepulseerde laser. De opvallende kenmerken van dit apparaat hebben een parallelle en gecontroleerde uniforme afgifte met een hoge efficiëntie en levensvatbaarheid van de cellen en het is mogelijk toepasbaar voor cellulaire therapie en regeneratieve geneeskunde.