Nanosilniki wewnątrz żywych komórek

hela

Inżynierowie i chemicy z Pennsylvania State University (PSU) w Stanach Zjednoczonych zademonstrowali syntetyczne nanosilniki ze złota i rutenu, które po raz pierwszy testowane były wewnątrz żywych komórek. Urządzenia napędzane energią fal ultradźwiękowych, sterowane były magnetycznie. Małe roboty o cylindrycznym kształcie przypominającym rakiety, stosowane do penetracji komórek mogą wykonywać operacje mechaniczne oraz nieinwazyjnie dostarczać leki do żywych tkanek.

Nanoroboty są maszynami skonstruowanymi w nanoskali, które pozwalają na precyzyjną interakcję z obiektami o podobnej wielkości. Snute kilkadziesiąt lat temu fantastycznonaukowe wizje, dzisiaj z powodzeniem są opracowywane w laboratoriach, a następnie wprowadzane do powszechnego użycia. Usprawnienie leczenia poprzez wczesne wykrywanie wirusów, niszczenie komórek nowotworowych bez uszkodzenia zdrowych oraz dostarczanie leków w określone miejsce to tylko kilka z wielu zastosowań możliwych dzięki nanotechnologii. Teraz, naukowcy z USA dostarczyli nowych dowodów m.in. na szansę sterowania komórkami od wewnątrz. Stworzone przez nich miniaturowe napędy, umieszczone w żywych komórkach umożliwiały ich sterowanie, bez użycia z toksycznych paliw. Biokompatybilne urządzenia wprawiano w ruch falami akustycznymi, a precyzyjna manipulacja prowadzona była za pomocą pola magnetycznego. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane 10 lutego 2014 roku, w międzynarodowej edycji czasopisma Angewandte Chemie.

Dotychczasowe badania prowadzone nad wykorzystaniem nanosilników prowadzone były “in vitro”, czyli z użyciem aparatury laboratoryjnej poza żywym organizmem. Opracowane po raz pierwszy 10 lat temu przez inżynierów z PSU maszyny zasilane były chemicznie. Silniki “pierwszej” generacji wymagały zastosowania szkodliwych dla ludzkiego systemu komórek źródeł zasilania. Testowano je wyłącznie w płynach biologicznym, symulujących środowisko występujące w ciele człowieka. Takie ograniczenie stanowiło ogromny problem i nie mogło być stosowane w terapiach, gdyż zagrażało zdrowiu i życiu pacjentów.

Zaprezentowane nowe, trimetaliczne nanosilniki składały się ze złota oraz rutenu, połączonych paskiem niklu. Trimetal to trwale połączone na całej powierzchni styku elementy z trzech różnych pod względem właściwości fizykochemicznych metali lub stopów. Urządzenia o cylindrycznym kształcie rakiety miały około 300 nanometrów średnicy oraz 3-4 mikrometrów długości. Łączący złoto z rutenem (diamagnetyki) dodatek niklu (ferromagnetyk) miał zaledwie 40 nanometrów grubości. Został on wkomponowany w celu ułatwienia sterowania całości za pomocą pola magnetycznego.

Nanosilniki aktywowane były ultradźwiękami o częstotliwości około 4 MHz. Do eksperymentów naukowcy wykorzystali linię komórkową HeLa, wywodzącą się z komórek raka szyjki macicy, które są zdolne do nieskończenie wielu podziałów mitotycznych. Hodowane są w wielu laboratoriach nieprzerwanie od momentu pobrania (1951 rok). Nazwa pochodzi od imienia i nazwiska pacjentki Henrietty Lacks, od której bez jej zgody pobrano komórki.

Po wchłonięciu urządzeń przez komórki, poddano je działaniu fal ultradźwiękowych, co spowodowało drgania. W zależności od częstotliwości, pręty miały niewielki wpływ na środowisko lub wibrowały tak gwałtownie, że niszczyły poszczególne organellum komórki lub przebijały błonę. Dodatkowo, inżynierowie zaprezentowali funkcję łączenia komórek w większe skupiska. Badacze kontrolowali ruch nanosilników impulsami akustycznymi – mogły się one kręcić wokół osi oraz poruszać w różnych kierunkach. Zastosowanie pola magnetycznego zapewniało jeszcze bardziej precyzyjne sterowanie – pojedyncze maszyny mogły przesuwać się autonomicznie, niezależnie od pozostałych. Według badaczy, taka zdolność na ogromny wpływ na potencjalne wykorzystanie urządzeń w leczeniu nowotworów, ze względu na wybiórczą możliwość niszczenia komórek. Natężenie fali ultradźwiękowej w testach wynosiło 13±1 mW/cm^2, przy dopuszczalnym przez amerykańską Agencję Żywności i Leków (z ang. Food and Drug Administration, FDA) 740 mW/cm^2. Wartość zewnętrznego pola magnetycznego to zakres od 40 do 45 mT.

Zdolności wpływu na zachowanie komórek jest obiecującą informacją dla wielu pacjentów. Marzeniem naukowców jest stworzenie sterowanych, drobnych, komunikujących się ze sobą obiektów, które umieszczone wewnątrz ciała mogłyby dokonywać diagnozy i terapii. Potencjał medyczny z pewnością jest ogromny, lecz póki co droga do wstępnych badań klinicznych na ochotnikach jest jeszcze daleka.

Pokaz aktywności nanosilników wewnątrz komórek HeLa w polu akustycznym (powiększenie 1000x).

Silna interakcja (przyleganie) pomiędzy nanorobotami i komórkami HeLa (powiększenie 500x).

Montaż większych skupisk komórek HeLa za pomocą nanosilników.

Źródło:
[1] Wei Wang, Sixing Li, Lamar Mair, Suzanne Ahmed, Tony Jun Huang, Thomas E. Mallouk. Acoustic Propulsion of Nanorod Motors Inside Living Cells. Angewandte Chemie International Edition, 2014
[2] Steering Acoustically Propelled Nanowire Motors toward Cells in a Biologically Compatible Environment Using Magnetic Fields. Suzanne Ahmed, Wei Wang, Lamar O. Mair, Robert D. Fraleigh,
Sixing Li, Luz Angelica Castro, Mauricio Hoyos, Tony Jun Huang, and Thomas E. Mallouk Langmuir 2013 29 (52), 16113-16118
[3] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la403946j [11.02.2014]
[4] http://tnij.org/pjmgmem [11.02.2014]
[5] http://science.psu.edu/news-and-events/2014-news/Mallouk2-2014 [11.02.2014]
[6] HeLa-V by National Institutes of Health (NIH), Wikimedia Commons, Public Domain

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *