Door licht geïnduceerde versnelling van intracellulaire levering

Celmembranen zijn barrières die cellulaire homeostase handhaven, en de intracellulaire afgifte van biologisch functionele moleculen, waaronder peptiden, eiwitten en nucleïnezuren om cellulaire functies te manipuleren. Conventionele intracellulaire opnameprocessen vereisen hoge concentraties biofunctionele moleculen met lage permeabiliteit om door het celmembraan te gaan.

Dit resulteert in een lage geneesmiddelactiviteit omdat de waarschijnlijkheid dat de biofunctionele moleculen de doelcellen en hun organellen binnendringen laag is. Bovendien beschadigen veel medicijnen gezonde cellen, evenals de cellen die het doelwit zouden moeten zijn vanwege een slechte selectiviteit, waardoor het noodzakelijk is om technologie te ontwikkelen die de selectiviteit van medicijnen kan vergroten, zodat ze doelgerichte cellen met hoge efficiëntie kunnen binnendringen.

Een onderzoeksgroep onder leiding van professor Ikuhiko Nakase (adjunct-directeur) en professor Takuya Iida (directeur) van het Research Institute for Light-Induced Acceleration System (RILACS) aan de Osaka Metropolitan University gebruikte door licht geïnduceerde convectie met behulp van superradiantie om verbeterde doorlaatbaarheid te bereiken van het celmembraan, door biofunctionele moleculen lokaal te concentreren, waaronder celpenetrerende peptiden (CPP’s). Het door licht geïnduceerde systeem was in staat tot effectieve medicijnafgifte, zelfs bij concentraties van slechts 1 pmol/L.

Om fotothermische assemblage rond levende cellen in een celkweekmedium te induceren, werd een infraroodlaser met een 10x-objectief gedurende honderd seconden gefocusseerd op de bodem van een glazen schaal die dicht was bedekt met gouden nanodeeltjes; de golflengte van de laser wordt nauwelijks geabsorbeerd door levende organismen en veroorzaakt geen schade maar kan warmte en een fotothermische stroming genereren. Moleculen werden geconcentreerd in de buurt van een bel die werd gegenereerd door de laserwarmte, die zich op ongeveer 100 µm afstand van de doelcellen op het substraat bevond.

Met behulp van dit systeem ontdekte de groep dat rond het laserbestralingspunt mitochondriale structuren in de buurt van de foto-geïnduceerde bubbels efficiënt werden gekleurd, zelfs bij een concentratie van 0,1% van die van conventionele methoden. Bovendien slaagde de door licht geïnduceerde versnelling erin apoptose te induceren met behulp van CPP’s in een concentratie van 1% van die van conventionele methoden, wat resulteerde in een uiterst efficiënte en selectieve cellulaire opname die resulteerde in de vernietiging van gerichte kankercellen.

“Het ontwikkelen van technologieën die selectief biofunctionele moleculen in gerichte cellen kunnen introduceren, is belangrijk, niet alleen voor fundamenteel onderzoek, maar ook in de klinische praktijk. We verwachten dat deze resultaten de concentratie van medicijnen die nodig zijn om celtesten uit te voeren aanzienlijk zullen verminderen. Omdat nieuwe medicijnen vaak duur zijn om productie, dit zal de kosten verlagen – en de ontdekking van geneesmiddelen versnellen. Bovendien zullen we deze resultaten toepassen op medische technologieën die kunnen bijdragen aan de diagnose en behandeling van kanker en ernaar streven deze technologie bruikbaar te maken in de menselijke gezondheidszorg, “concluderen professor Nakase en professor Iida in een gezamenlijke verklaring.

De bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Nano-brieven.