Nanopilaren creëren kleine openingen in de kern zonder de cellen te beschadigen

Stel je voor dat je probeert een gat in de dooier van een rauw ei te prikken zonder het eiwit te breken. Het klinkt onmogelijk, maar onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een technologie ontwikkeld die een soortgelijke delicate taak uitvoert in levende cellen.

Ze creëerden een reeks nanopilaren die de kern van een cel – het compartiment waarin ons DNA huisvest – kunnen doorbreken zonder het buitenmembraan van de cel te beschadigen.

Het onderzoek, gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialenzou nieuwe mogelijkheden kunnen openen op het gebied van gentherapie, waarbij genetisch materiaal rechtstreeks in de kern moet worden afgeleverd, evenals op het gebied van medicijnafgifte en andere vormen van precisiegeneeskunde.

“We hebben een hulpmiddel ontwikkeld dat gemakkelijk een toegangspoort tot de kern kan creëren”, zegt Zeinab Jahed, professor aan de Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering aan UC San Diego en senior auteur van het onderzoek.

De kern is door zijn ontwerp ondoordringbaar. Het membraan ervan is een sterk versterkte barrière die onze genetische code beschermt en alleen specifieke moleculen doorlaat via streng gecontroleerde kanalen. “Het is niet gemakkelijk om iets in de kern te krijgen”, zei Jahed. “Het afleveren van medicijnen en genen via het kernmembraan is lange tijd een enorme uitdaging geweest.”

De huidige methoden om toegang te krijgen tot de kern omvatten doorgaans het gebruik van een kleine naald om zowel de kern als de cel fysiek te doorboren. Deze methoden zijn echter invasief en kunnen alleen in kleinschalige toepassingen worden gebruikt.

Jahed en haar team, mede geleid door UC San Diego nanoengineering Ph.D. student Ali Sarikhani, ontwikkelde een niet-verstorende oplossing. Ze ontwikkelden een reeks nanopilaren, bestaande uit cilindrische structuren op nanoschaal.

Wanneer een cel bovenop deze nanopilaren wordt geplaatst, wikkelt de kern zich rond de nanopilaren, waardoor het membraan gaat krommen. Deze geïnduceerde kromming zorgt er op zijn beurt voor dat er tijdelijk kleine, zelfdichtende openingen in het kernmembraan worden gevormd. Het buitenmembraan van de cel blijft ondertussen onbeschadigd.

“Dit is opwindend omdat we selectief deze kleine gaten in het kernmembraan kunnen creëren om rechtstreeks toegang te krijgen tot de kern, terwijl we de rest van de cel intact laten”, zegt Jahed.

In experimenten werden cellen met een fluorescerende kleurstof in hun kernen op de nanopilaren geplaatst. Onderzoekers merkten op dat de kleurstof vanuit de kern in het cytoplasma lekte, maar opgesloten bleef in de cel. Dit gaf aan dat alleen het kernmembraan, en niet het celmembraan, was doorboord.

De onderzoekers observeerden dit effect in verschillende celtypen, waaronder epitheelcellen, hartspiercellen en fibroblasten.

Het team onderzoekt momenteel de mechanismen achter dit effect. “Het begrijpen van deze details zal van cruciaal belang zijn om het platform voor klinisch gebruik te optimaliseren en ervoor te zorgen dat het zowel veilig als effectief is voor het afleveren van genetisch materiaal in de kern”, aldus Jahed.