Nanomotoren als sondes om de omgeving van kanker te detecteren

Een interdisciplinair team van onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) heeft een 3D-tumormodel en magnetisch aangedreven nanomotoren gebruikt om de micro-omgeving van kankercellen te onderzoeken. Het team bestaat uit onderzoekers van het Center for Nano Science and Engineering (CeNSE) en het Department of Molecular Reproduction, Development and Genetics (MRDG).

In hun werk, gepubliceerd in Angewandte Chemiestuurde het team spiraalvormige nanomotoren op afstand via een extern magnetisch veld door het tumormodel om veranderingen in de cellulaire omgeving te detecteren, in kaart te brengen en te kwantificeren. Het model omvat zowel gezonde cellen als kankercellen ingebed in een gereconstitueerde basaalmembraanmatrix, en bootst de omgeving van borstkanker na.

De studie belicht een nieuwe manier om kankercellen te richten door nanomotoren in een tumor te manoeuvreren en te wachten tot ze zich in de buurt van de kankerplek lokaliseren. “We probeerden de nanomotoren naar kankercellen te drijven in een tumormodel en zagen dat ze vast kwamen te zitten aan de matrix in de buurt van kankercellen, maar dit werd niet waargenomen in de buurt van normale cellen”, zegt Debayan Dasgupta, een co-eerste auteur en Ph.D. student bij CeNSE.

De extracellulaire matrix (ECM) is een complex 3D-netwerk van eiwitten en koolhydraten die door levende cellen in hun omgeving worden uitgescheiden. Wanneer kankercellen echter vers materiaal in de ECM afscheiden, verstoort dit de chemische en fysische samenstelling van de natuurlijke ECM die gezonde cellen omgeeft, waardoor de lokale omgeving wordt aangetast. Daarom zou het van vitaal belang kunnen zijn om de progressie van kanker te begrijpen om te begrijpen hoe de cellulaire micro-omgeving wordt veranderd als gevolg van kankercellen en om deze veranderingen kwantitatief te meten.

In het huidige onderzoek ontdekten de onderzoekers dat naarmate de nanomotoren het kankercelmembraan naderden, ze sterker aan de matrix bleven plakken dan aan normale cellen. Om te meten hoe sterk de nanomotoren aan de matrix bonden, berekende het team de magnetische veldsterkte die nodig is om de hechtkracht te overwinnen en vooruit te gaan.

“Dit betekent dat de kankercellen iets doen. Dus we hebben wat metingen gedaan en ontdekten dat het [the adhesive force] hing af van het type cel, de sterkte van de interactie en ook welke kant van de cel de nanomotor naderde ”, legt Ambarish Ghosh uit, universitair hoofddocent aan CeNSE en een van de senior auteurs. ” Uiteindelijk ontdekten we echt een fysieke eigendom van een belangrijke biologische omgeving. ”

De reden waarom de nanomotoren beter aan de kankercellen lijken te kleven, is hun geladen ECM. Dit kan te wijten zijn aan de aanwezigheid van 2,3-gebonden siaalzuur, een aan suiker geconjugeerd molecuul dat een negatieve lading geeft aan de kankercellen, ontdekten de onderzoekers. Ze visualiseerden de verdeling van deze suikers met behulp van fluorescerende markers en ontdekten dat siaalzuren tot 40 micrometer van het oppervlak van de kankercel werden verdeeld – dezelfde afstand waarop de nanomotoren een sterke adhesie ervoeren.

Om dit hechtende effect tegen te gaan, heeft het team de nanomotoren gecoat met Perfluoroctyltriethoxysilaan (PFO) dat ze afschermde van de geladen omgeving. De gecoate nanomotoren kleefden niet aan de matrix nabij de kankercellen, terwijl de niet-gecoate motoren zich aan de matrix vastklampten, wat bevestigt dat de negatief geladen micro-omgeving van kanker interageert met de binnenkomende nanomotoren, waardoor ze onbeweeglijk worden.

“Wat als een mooie verrassing kwam, was dat we in een dergelijk milieu ontdekten dat agressieve kankercellen hun omgeving opnieuw vormden door ze plakkeriger te maken en rijker aan specifieke geladen suikers”, zegt Ramray Bhat, universitair docent bij MRDG en een van de senior auteurs. “Dit opladen kan mogelijk worden gebruikt om kleine populaties kankercellen die verborgen zijn tussen hun normale tegenhangers, te richten en te doden, waarvoor we deze onderzoeken uitbreiden naar levende dieren.”