Ryggsäckar för celler

Levande celler som bär mikroskopiska ryggsäckar – nanostrukturerade polymerplåster laddade med kemisk last – kan en dag kunna transportera droger eller avbildningsmedel till sjuk vävnad. MIT-forskare säger att de framgångsrikt har konstruerat sådana ryggsäckar, fyllt dem med magnetiska partiklar och fäst dem vid immuncellers ytor utan att störa cellernas förmåga att interagera med sin miljö. Arbetet beskrivs i ett färskt nummer av Nanobokstäver .

Utrustad: Två immunceller (grå) bär polymerryggsäckar (gröna). De bifogade ryggsäckarna har två lager: ett cellvidhäftningslager som griper tag i cellytan och ett nyttolastlager som bär lite kemisk last – i det här fallet grönt fluorescerande färgämne. Forskare hoppas att ryggsäckarna en dag kan anpassas för att leverera läkemedel eller avbildningsmedel till specifika regioner i kroppen.

Sammantaget är detta ett mycket betydelsefullt arbete, säger Michael Sailor , en professor i kemi och biokemi vid University of California, San Diego, som inte var involverad i studien. Det finns många möjliga varianter på detta tema för en mängd olika sjukdomar. Jag tror att det kan starta en helt ny subdisciplin.

Ryggsäckarna är byggda av tre tunna lager polymerfilm. Det undre lagret förankrar ryggsäcken vid en yta under konstruktion och lastning. Mellanlagret bär ryggsäckens last. Och det översta lagret fungerar som en krok som hakar fast på en cells yta.

När de hade syntetiserat ryggsäckarna lade forskarna till en lösning som innehöll levande immunceller, som omedelbart fastnade av ryggsäckarnas översta lager. Sedan, genom att sänka temperaturen, triggade de de nedre polymerskikten att lösas upp och släppte de ryggsäcksbärande cellerna från ytan.

Denna process möjliggör otrolig mångsidighet i ryggsäckarnas last, säger Michael Rubner , chef för MIT:s Center for Materials Science and Engineering och senior författare till tidningen. Eftersom cellerna inte läggs till förrän i slutet, finns det ingen fara med att använda giftiga kemikalier och svåra förhållanden för att bygga och ladda ryggsäckarna. Du kan använda all hård kemi du vill, för cellen är inte där för att dödas, säger Rubner. Det är först i det sista steget av processen som cellen fäster på ytan, tar tag i sin ryggsäck och lyfter av den.

För att testa hur tätt ryggsäckarna fäste, fyllde forskarna dem med magnetiska nanopartiklar, laddade dem på immunceller och placerade cellerna nära en magnet. Under ett mikroskop kunde cellerna ses vandra mot magneten och dras med i deras ryggsäckar, som höll sig stadigt förankrade på plats.

Vanligtvis internaliseras partiklar som ingår i en cells yta på några sekunder, säger man Mauro Ferrari , chef för divisionen för nanomedicin vid University of Texas, som inte var involverad i arbetet. Att den här saken stannar där längre än sekunder är anmärkningsvärt, säger han.

Sailor varnar för att även om tekniken är lovande kommer den verkliga utmaningen att vara att få den att fungera inuti kroppen. Det finns inget sätt att veta i detta skede hur de ryggsäcksbärande cellerna skulle klara sig när de cirkulerade i blodomloppet. De kan sluka eller fälla sina förpackningar, eller logera i trånga utrymmen. Inledande studier tyder på att ryggsäckarna inte utgör någon fara för immuncellernas hälsa, men det krävs mycket mer arbete innan systemet kan testas inuti ett levande djur, säger Rubner.

När de når punkten för djurförsök planerar forskarna att börja med att ladda ryggsäckarna med ett spårbart ämne - kanske de magnetiska nanopartiklarna, som kan avbildas med MRI, eller kanske fluorescerande molekyler. Det gör att teamet kan avgöra hur cellerna migrerar och om de når de önskade målen.

Så småningom föreställer sig Rubner och hans kollegor att använda ryggsäckarna för behandlingar som gör om kroppens eget immunsystem för att attackera sjuk eller cancerös vävnad. Till exempel kan immunceller avlägsnas från blodomloppet, utrustas med ryggsäckar, aktiveras för att komma in i en tumör och återföras till kroppen. Där skulle de leverera sin last – vare sig det var ett bildframkallande medel eller ett kemoterapeutiskt läkemedel – direkt till tumören och skonade friska vävnader från exponering för den giftiga nyttolasten.

Forskarna förväntade sig från början att varje ryggsäck skulle fästa jämnt på bärarcellens yta, ungefär som ett plåster. Istället verkade plåstren fastna ordentligt på ett ställe, medan resten dinglade av – ungefär som en riktig ryggsäck, som bara förankras vid axlarna, säger Rubner. Det här oväntade fenomenet kan faktiskt komma väl till pass, säger han. Immunceller måste pressa sig genom smala öppningar i kroppen; en påspacklad förpackning kan göra cellerna mindre böjliga, medan en dinglande förpackning kan dras igenom.

För det mesta kopplade cellerna och ryggsäckarna ihop i ett ett-till-ett-förhållande. Men ibland, under vissa förhållanden, bildades gigantiska klumpar av aggregerade celler och ryggsäckar. Eftersom ryggsäckarna inte låg platt mot cellerna, kunde mer än en cell haka fast på ett enda plåster, eller mer än ett plåster kunde fästa vid en cell. Rubner hoppas att hans team kan lära sig hur man manipulerar den här processen, vilket kanske kan tjäna som en grund för vävnadsteknik nerifrån och upp.

Det här är ett nytt tillvägagångssätt, säger Rubner. Det finns mycket flexibilitet i vad du kan göra med det, och vi hoppas att flexibilitet kommer att förvandlas till något som kommer att ha stort värde för samhället.

Men det kommer att ta ett tag, tillägger han.

Dölj