Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Moleculaire boorhamers kunnen het membraan van melanoomcellen scheuren, zo blijkt uit onderzoek

De structuur van een aminocyaninemolecuul (een moleculaire drilboor) bovenop het berekende moleculaire plasmon door de TD-DFT-theorie, met het karakteristieke symmetrische lichaam en de lange ‘zijarm’. Credit:Ciceron Ayala-Orozco/Rice Universiteit

De iconische hitsingle ‘Good Vibrations’ van de Beach Boys krijgt een geheel nieuwe betekenislaag dankzij een recente ontdekking door wetenschappers en medewerkers van Rice University, die een manier hebben ontdekt om kankercellen te vernietigen door gebruik te maken van het vermogen van sommige moleculen om sterk te trillen wanneer gestimuleerd door licht.



De onderzoekers ontdekten dat de atomen van een klein kleurstofmolecuul dat wordt gebruikt voor medische beeldvorming samen kunnen trillen – waardoor een zogenaamde plasmon ontstaat – wanneer ze worden gestimuleerd door nabij-infraroodlicht, waardoor het celmembraan van kankercellen scheurt. Volgens de studie gepubliceerd in Nature Chemistry had de methode een efficiëntie van 99% tegen laboratoriumculturen van menselijke melanoomcellen, en werd de helft van de muizen met melanoomtumoren na behandeling kankervrij.

"Het is een hele nieuwe generatie moleculaire machines die we moleculaire boorhamers noemen", zegt Rice-chemicus James Tour, wiens laboratorium eerder verbindingen op nanoschaal heeft gebruikt die zijn begiftigd met een door licht geactiveerde, peddelachtige keten van atomen die voortdurend in dezelfde richting draaien om er doorheen te boren. het buitenmembraan van infectieuze bacteriën, kankercellen en behandelingsresistente schimmels.

In tegenstelling tot de boren op nanoschaal, gebaseerd op de moleculaire motoren van Nobelprijswinnaar Bernard Feringa, maken moleculaire boorhamers gebruik van een heel ander (en ongekend) werkingsmechanisme.

"Ze zijn meer dan een miljoen keer sneller in hun mechanische beweging dan de voormalige Feringa-motoren, en ze kunnen worden geactiveerd met nabij-infrarood licht in plaats van met zichtbaar licht", aldus Tour.

(a) Een moleculaire drilboor (blauw) hecht zich aan de dubbellaagse lipidelaag van een kankercel. Wanneer het wordt gestimuleerd met nabij-infraroodlicht, trilt het sterk, waardoor het celmembraan openscheurt. ( b ) DAPI die de kern van de door membraan verstoorde A375-melanoomcellen binnendringt en kleurt, gevisualiseerd door fluorescentie-confocale microscopie. Schaalbalk =25 µm. Credit:Ciceron Ayala-Orozco/Rice Universiteit

Nabij-infraroodlicht kan veel dieper in het lichaam doordringen dan zichtbaar licht, waardoor organen of botten worden bereikt zonder weefsel te beschadigen.

"Nabij-infraroodlicht kan tot wel 10 centimeter (~ 4 inch) in het menselijk lichaam doordringen, in tegenstelling tot slechts een halve centimeter (~ 0,2 inch), de penetratiediepte voor zichtbaar licht, die we gebruikten om de nanodrills te activeren, ", aldus Tour, Rice's T.T. en W.F. Chao hoogleraar scheikunde en hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering. "Het is een enorme vooruitgang."

De boorhamers zijn aminocyaninemoleculen, een klasse fluorescerende synthetische kleurstoffen die worden gebruikt voor medische beeldvorming.

"Deze moleculen zijn eenvoudige kleurstoffen die mensen al heel lang gebruiken", zegt Ciceron Ayala-Orozco, een rijstonderzoeker die hoofdauteur is van het onderzoek. "Ze zijn biocompatibel, stabiel in water en zeer goed in het zich hechten aan de vette buitenste laag van cellen. Maar hoewel ze werden gebruikt voor beeldvorming, wisten mensen niet hoe ze deze als plasmonen moesten activeren."

Ayala-Orozco bestudeerde aanvankelijk plasmonen als promovendus in de onderzoeksgroep onder leiding van Naomi Halas van Rice.

Ciceron Ayala-Orozco is onderzoeker in het Tour-lab van Rice University en hoofdauteur van het onderzoek. Credit:Jeff Fitlow/Rice University

"Vanwege hun structuur en chemische eigenschappen kunnen de kernen van deze moleculen synchroon oscilleren wanneer ze worden blootgesteld aan de juiste stimulus", zei Ayala-Orozco. "Ik zag de noodzaak om de eigenschappen van plasmonen te gebruiken als een vorm van behandeling en was geïnteresseerd in de mechanische benadering van Dr. Tour bij het omgaan met kankercellen. Ik heb feitelijk de punten met elkaar verbonden.

"De moleculaire plasmonen die we hebben geïdentificeerd hebben een vrijwel symmetrische structuur met een arm aan één kant. De arm draagt ​​niet bij aan de plasmonische beweging, maar helpt het molecuul te verankeren aan de lipidedubbellaag van het celmembraan."

De onderzoekers moesten bewijzen dat de werking van de moleculen niet gecategoriseerd kon worden als een vorm van fotodynamische of fotothermische therapie.

"Wat moet worden benadrukt, is dat we een andere verklaring hebben ontdekt voor hoe deze moleculen kunnen werken," zei Ayala-Orozco. “Dit is de eerste keer dat een moleculair plasmon op deze manier wordt gebruikt om het hele molecuul te exciteren en daadwerkelijk mechanische actie te produceren die wordt gebruikt om een ​​bepaald doel te bereiken – in dit geval het uiteenscheuren van het membraan van kankercellen. Deze studie gaat over een andere manier om kanker te behandelen met behulp van mechanische krachten op moleculaire schaal."

Onderzoekers van de Texas A&M University onder leiding van Jorge Seminario, een kwantumchemicus en hoogleraar chemische technologie, voerden een tijdsafhankelijke dichtheidsfunctionaaltheorieanalyse uit op de moleculaire kenmerken die betrokken zijn bij het jackhammering-effect. De kankerstudies werden uitgevoerd bij muizen aan het MD Anderson Cancer Center van de Universiteit van Texas in samenwerking met Dr. Jeffrey Myers, professor en voorzitter van de afdeling Hoofd- en Halschirurgie en directeur translationeel onderzoek voor de afdeling Chirurgie.

Meer informatie: Ciceron Ayala-Orozco et al, Moleculaire boorhamers roeien kankercellen uit door vibronisch aangedreven actie, Natuurchemie (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01383-y

Journaalinformatie: Natuurchemie

Aangeboden door Rice University




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Bereidheid om risico's te nemen - een persoonlijkheidskenmerk
  2. Hoe krijgen mensen stikstof in hun lichaam?
  3. Muizen helpen bij het vinden van gen voor slechte adem
  4. Kan de behandeling van hondendementie aanwijzingen opleveren voor de ziekte van Alzheimer bij mensen?
  5. No-till management kan de uitstoot van lachgas verminderen, klimaatverandering bestrijden
  6. Analyse van oud DNA onthult een voorheen niet-herkend geslacht van uitgestorven paarden dat ooit door Noord-Amerika zwierf
  7. Alles in de familie:gerichte genomische vergelijkingen
  8. Epigenetische controle van transcriptionele stabiliteit handhaaft identiteit en functie in dopaminerge en serotonerge neuronen
  9. Onderzoek onthult hoe verontreinigende stoffen de vroege embryonale ontwikkeling beïnvloeden

Wetenschap