211service.com
Styr cellbeteende med magneter
För första gången har forskare visat ett sätt att kontrollera cellfunktioner med en fysisk, snarare än kemisk, signal. Med hjälp av ett magnetfält för att dra ihop små pärlor riktade mot särskilda cellreceptorer, fick Harvard-forskare celler att ta upp kalcium och sedan sluta och sedan ta upp det igen. Deras arbete är det första som bevisar att en sådan nivå av kontroll över celler är möjlig. Om tillvägagångssättet kan användas med många celltyper och cellfunktioner kan det leda till en helt ny klass av terapier som förlitar sig på cellerna själva för att tillverka och frigöra läkemedel.
Cellomkopplare: Immunceller belagda med nanopartiklar tar upp kalcium i närvaro av ett magnetfält. Varje nanopartikel mäter cirka 30 nanometer i diameter. I den här bilden tar gula celler upp kalcium som svar på ett lokaliserat magnetfält. Celler som är längre bort från fältet visas i lila och tar inte upp kalcium.
Forskningen, som publicerades i tidskriften Naturens nanoteknik , leddes av Donald Ingber , professor i patologi vid Harvard Medical School och cochair för Harvard Institute for Biologically Inspired Engineering . Ingbers grupp demonstrerade sin metod för biomagnetisk kontroll med hjälp av en typ av immunsystemceller som medierar allergiska reaktioner. Riktade nanopartiklar med järnoxidkärnor användes för att efterlikna antigener in vitro. Var och en är fäst vid en molekyl som i sin tur kan fästa till en enda receptor på en immuncell. När Ingber utsätter celler bundna med dessa partiklar för ett svagt magnetfält, blir nanopartiklarna magnetiska och dras samman, vilket drar de fästa cellreceptorerna i kluster. Detta gör att cellerna tar upp kalcium. (I kroppen skulle detta initiera en kedja av händelser som leder till att cellerna frisätter histamin.) När magnetfältet stängs av attraheras partiklarna inte längre till varandra, receptorerna flyttas isär och inflödet av kalcium stoppas .
Det är inte kemin; det är närheten som aktiverar sådana receptorer, säger Ingber.
Tillvägagångssättet kan ha en långtgående inverkan, eftersom många viktiga cellreceptorer aktiveras på liknande sätt och kan kontrolleras med Ingbers metod.
Under de senaste åren har det funnits en insikt om att fysiska händelser, inte bara kemiska händelser, är viktiga för cellfunktionen, säger Shu Chien , en bioingenjör vid University of California, San Diego. Forskare har undersökt effekterna av fysiska krafter på celler genom att till exempel pressa dem mellan plattor eller dra sonder över deras ytor. Men ingen av dessa tekniker fungerar på en så fin nivå av kontroll som Ingbers magnetiska pärlor, som verkar på enskilda biomolekyler.
Hittills har det inte funnits mycket kontroll [över celler] i denna skala, säger Larry Nagahara , projektledare i National Cancer Institute's Alliance for Nanotechnology in Cancer och fysikprofessor vid Arizona State University.
Många läkemedel, från antikroppar mot cancer till hormoner, fungerar genom att aktivera cellreceptorer. När ett hormon väl finns i blodet går det inte att slå på eller av det. Detta visar att du kan slå på och av signalen, och att du kan göra det direkt, säger Christopher Chen , en bioingenjör vid University of Pennsylvania. Det är något som är svårt att göra, till exempel med en antikropp.
Ingber har många idéer för enheter som kan integrera hans metod för cellstyrning. Magnetiska pacemakers kan använda celler istället för elektroder för att skicka elektriska pulser till hjärtat. Implanterbara läkemedelsfabriker kan innehålla många grupper av celler, som var och en gör olika läkemedel när de aktiveras av en magnetisk signal. Biomagnetisk kontroll kan leda till datorer som kan dra nytta av cellernas processorkraft. Celler gör komplexa saker som bildbehandling så mycket bättre än datorer, säger Ingber. Ingber, som startade projektet som svar på en uppmaning från Defense Advanced Research Projects Agency för nya cell-maskin-gränssnitt, erkänner att hans arbete är i ett tidigt skede. Om femtio år förväntar han sig dock att det kommer att finnas enheter som sömlöst samverkar mellan levande celler och maskiner.
Andra forskare håller med. Ingbers biomagnetiska kontroll kan representera en ny mekanism för människa-maskin-gränssnitt, säger UC San Diegos Chien. Men innan sådana gränssnitt kan utvecklas, säger University of Pennsylvanias ingenjör Chen, måste forskare lära sig mycket mer om celler.
Säg att vi har celler på ett chip och vi vet vilket beteende vi vill framkalla, som att få en stamcell att gå in i ett sårställe och påbörja reparationer, säger Chen. Vi vet inte vilka signalhändelser som måste hända för att försätta cellen i rätt tillstånd så att den kommer att vidta önskad åtgärd.
På kort sikt säger Chen att Ingbers metod kan hjälpa biologer att få avgörande kunskap om cellsignalering, såsom hur dessa signaler bearbetas kemiskt och fysiskt av cellen, och hur de leder till särskilda resultat, från kalciumupptag till förändringar i genuttryck. . Det ger ett verktyg som låter oss justera cellen och se vad som händer, säger Chen.