Bioactieve nano-capsules om celgedrag te kapen

Veel ziekten worden veroorzaakt door defecten in de signaalroutes van lichaamscellen. In de toekomst kunnen bioactieve nanocapsules een waardevol hulpmiddel worden voor de geneeskunde om deze routes te beheersen. Onderzoekers van de Universiteit van Basel hebben een belangrijke stap in deze richting gezet: ze slagen erin om verschillende nanocapsules te laten samenwerken om een ​​natuurlijke signaalcascade te versterken en het celgedrag te beïnvloeden.

Cellen communiceren constant met elkaar en hebben manieren om signalen op te vangen en te verwerken – net als mensen die oren nodig hebben om geluiden te horen en kennis van taal om hun betekenis te verwerken. Het beheersen van de eigen signaalroutes van de cel is van groot belang voor de geneeskunde om verschillende ziekten te behandelen.

Een onderzoeksteam van het Departement Chemie van de Universiteit van Basel en het NCCR Molecular Systems Engineering ontwikkelt bioactieve materialen die hiervoor geschikt zouden kunnen zijn. Om dit te bereiken combineren de onderzoekers onder leiding van professor Cornelia Palivan nanomaterialen met natuurlijke moleculen en cellen.

In het dagboek ACS Nano, rapporteren ze nu hoe met enzymen geladen nanocapsules cellen kunnen binnendringen en in hun oorspronkelijke signaalprocessen kunnen worden geïntegreerd. Door meerdere nanocapsules functioneel te koppelen, kunnen ze een natuurlijke signaalroute versterken.

Bescherming van de lading

Om de enzymen te beschermen tegen afbraak in een cellulaire omgeving, laadde het onderzoeksteam ze in kleine polymeercapsules. Moleculen kunnen het compartiment binnendringen via biologische poriën die specifiek in de synthetische wand zijn ingebracht en reageren met de enzymen binnenin.

De onderzoekers experimenteerden met nanocapsules die verschillende enzymen bevatten die samen werkten: het product van de eerste enzymatische reactie kwam in een tweede capsule terecht en startte de tweede reactie binnenin. Deze nano-capsuled kon dagenlang werkzaam blijven en nam actief deel aan natuurlijke reacties in zoogdiercellen.

Kleine luidsprekers en oren

Een van de vele signalen die cellen ontvangen en verwerken, is stikstofmonoxide (NO). Het is een goed bestudeerd cellulair mechanisme, aangezien defecten in de NO-signaalroute betrokken zijn bij het ontstaan ​​van cardiovasculaire aandoeningen, maar ook bij spier- en retinale dystrofieën. De route omvat de productie van NO door een enzymfamilie die stikstofoxidesynthasen (NOS) wordt genoemd. Het NO kan vervolgens diffunderen naar andere cellen waar het wordt waargenomen door een ander enzym dat oplosbare guanylaatcyclase (sGC) wordt genoemd. De activering van sGC start een cascadereactie, die een overvloed aan verschillende processen reguleert, zoals ontspanning van gladde spieren en de verwerking van licht door onder meer sensorische cellen.

De onderzoekers onder leiding van Palivan produceerden capsules met NOS en sGC, die van nature in cellen aanwezig zijn, maar in veel lagere concentraties: de NOS-capsules, die NO produceren, werken op dezelfde manier als luidsprekers en ‘roepen’ hun signaal luid en duidelijk; de sGC-capsules fungeren als ‘oren’ die het signaal waarnemen en verwerken om de respons te versterken.

Door de intracellulaire calciumconcentratie, die afhangt van de werking van sGC, als indicator te gebruiken, toonden de wetenschappers aan dat de combinatie van zowel met NOS als sGC beladen capsules de cellen veel reactiever maakt, met een 8-voudige toename van het intracellulaire calciumniveau. .

Een nieuwe strategie voor enzymvervangingstherapie

“Het is een nieuwe strategie om dergelijke veranderingen in cellulaire fysiologie te stimuleren door nanowetenschap te combineren met biomoleculen”, zegt Dr. Andrea Belluati, de eerste auteur van de studie. “We moesten gewoon onze met enzymen beladen capsules met de cellen incuberen, en ze waren klaar om in een oogwenk te handelen”.

“Deze proof of concept is een belangrijke stap op het gebied van enzymvervangingstherapie voor ziekten waarbij de biochemische paden niet goed werken, zoals hart- en vaatziekten of verschillende dystrofieën”, voegt Cornelia Palivan toe.