Moleculaire motoren stimuleren nieuwe niet-invasieve kankertherapieën

Stel je kleine machines voor, kleiner dan een virus, die in kankercellen draaien en hun gedrag van binnenuit opnieuw bedraden. Geen chirurgie, geen harde chemicaliën, alleen precisie op moleculair niveau.

Twee onderzoekers van de Artie McFerrin Department of Chemical Engineering aan de Texas A&M University onderzoeken lichte geactiveerde moleculaire motoren-machines met geen mate-formaat die mechanische krachten vanuit cellen kunnen toepassen om de kankervooractiviteit te richten en selectief te verstoren.

Professor Dr. Jorge Seminario en postdoctorale medewerker Dr. Diego Galvez-Aranda hebben bij chemische engineering bijgedragen aan baanbrekend onderzoek door een nieuwe grens aan te tonen in niet-invasieve kankertherapieën. Het onlangs gepubliceerde manuscript in de Journal of the American Chemical Society zet deze onderzoekslijn voort.

In tegenstelling tot conventionele behandelingen die afhankelijk zijn van chemische middelen, gebruiken deze moleculaire machines licht om mechanische werking in de cel zelf te activeren, gericht op eiwitten en andere cellulaire structuren.

“Het belangrijkste aspect van dit werk is het bewijs dat interne mechanische krachten, die worden gecreëerd door met licht geactiveerde moleculaire machines, specifiek en effectief celgedrag kunnen moduleren,” zei Galvez-Aranda. “Dit is een grote afwijking van bestaande benaderingen die grotendeels afhankelijk zijn van chemische middelen om cellen te manipuleren.”

Moleculaire motoren zijn kleine machines die chemische energie omzetten in mechanische beweging, waardoor moleculaire rotatie mogelijk wordt. Wanneer ze met licht worden gestimuleerd, kunnen ze draaien met oriëntaties en snelheden, en hun effecten op cellen variëren afhankelijk van hoe lang de motoren worden geactiveerd, legt Galvez-Aranda uit.

“Dit kan relevant zijn bij ziekten met bestaande chemische therapieën die onaangename en vaak slopende bijwerkingen hebben of om ziekten te behandelen waarbij bestaande medicijnen een zeer beperkte werkzaamheid bieden, zoals veel kanker en chronische ziekten,” zei hij.

Onderzoekers testten vier moleculaire motoren met vergelijkbare chemische eigenschappen, maar veranderden hun samenstelling om verschillende rotatiesnelheden te garanderen wanneer gestimuleerd door licht. Experimenten met het meten van celdood en calciumafgifte toonden aan dat motoren met langzamere rotatie minder effectief waren bij het beïnvloeden van biologische processen.

Wanneer een moleculaire motor draait, werkt deze vanuit de cel, waardoor het gedrag van cellen en functie op moleculair niveau verandert. Galvez-Aranda gelooft dat deze benadering schade aan normale weefsels kan verminderen door de noodzaak van chemische middelen te elimineren.

Chemische middelen worden meestal gebruikt om het gedrag van cellen te regelen, maar werken van buiten de cel. Moleculaire motoren daarentegen passen mechanische krachten vanuit de cel toe.

“Kortom, de belangrijkste prestatie bewijst dat mechanische krachten op moleculair niveau kunnen worden uitgevoerd, als een nieuw type hulpmiddel voor medische interventie, wat fundamenteel kan veranderen hoe we de definitie van interventies in de toekomst plannen,” zei Galvez-Aranda.

Galvez-Aranda gelooft dat de moleculaire motoren ook nieuwe inzichten kunnen bieden in hoe cellen functioneren. Hij zei dat een beter begrip van mechanische krachten op cellulair niveau onderzoekers kan helpen nieuwe biologische processen te ontdekken en nieuwe therapeutische doelen te identificeren.

“Met deze technieken kunnen onderzoekers het gedrag van atomen, moleculen, clusters, kristallen en amorfe materialen simuleren met uitzonderlijke nauwkeurigheid, vooral op schalen onder een paar nanometer,” zei Seminario. “Dit vormt een aanvulling op experimentele benaderingen, die praktischer blijven voor grotere systemen.”

Deze nieuwe processen kunnen een meer diepgaand inzicht bieden in de opkomende gebieden van synthetische biologie en nanotechnologie.

“Dit zal ontdekkingen en/of toepassingen sturen voor het ontwerp en de vervaardiging van synthetische nanobots of slimme moleculen die verschillende taken in een menselijk lichaam kunnen uitvoeren, zoals reparatieweefsel of medicijndoses met ongelooflijke precisie leveren,” zei Galvez-Aranda.

Deze benadering kan de behoefte aan invasieve therapieën voor patiënten, lagere chirurgische procedures verminderen en de blootstelling van patiënten aan schadelijke chemicaliën beperken.

“Onze onderzoeksgroep is er trots op om voorop te staan ​​in deze transformatie. Dr. Galvez-Aranda en ons team zijn diep bezig met het bevorderen van zowel Ab Initio (eerste principes) als AI-aangedreven computermethoden om de volgende generatie materiaalontdekking te pionieren,” zei Seminario.