Picturale weergave van (a) cellen gekweekt bovenop titaniumoxide nanobuisjes en (b) massaal parallelle fotoporatie met behulp van de interactie tussen een reeks nanobuisjes en een pulslaser. Krediet: Toyohashi University of Technology.
Een onderzoeksteam van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Toyohashi University of Technology ontwikkelde een nanoseconde pulslaser-geassisteerde fotoporatiemethode met behulp van titaniumoxide nanobuisjes (TNT) voor zeer efficiënte en goedkope intracellulaire toediening. De resultaten van hun onderzoek worden gepubliceerd in de Applied Surface Science op 30 maart 2021, 148815.
Het potentieel om externe moleculen af te leveren in levende cellen met een hoge levensvatbaarheid en transfectievermogen van cellen is van groot belang in celbiologie voor diagnostiek, medicijnafgifte en therapeutische ontwikkeling naar celtherapie en regeneratieve geneeskunde. Gedurende vele jaren zijn medicijnafgiftesystemen geavanceerd om meer controle te krijgen over de medicatiedosering, gerichte afgifte en verminderde bijwerkingen. Deze technieken kunnen worden geclassificeerd als virale, fysische of chemische methoden.
Onder deze methoden is fotoporatie in opkomst en is dit de laatste jaren populair geworden voor intracellulaire toediening, vanwege de minder invasiviteit. Bij deze methode worden gouden nanodeeltjes, die gepulseerd licht absorberen, verspreid in een oplossing om de cellen te perforeren, maar de materialen zijn duur. Het is wenselijk om nanomaterialen te gebruiken die minder duur zijn terwijl ze een hoge afgifte-efficiëntie en levensvatbaarheid van de cellen behouden.
De onderzoeksgroep ontwierp en vervaardigde een kosteneffectieve nanobuis-array voor op fotooratie gebaseerde intracellulaire toediening. TNT’s werden gevormd op titaniumplaten bij verschillende spanningen en tijden met behulp van de elektrochemische anodisatietechniek. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) onthulde de aanwezigheid van verschillende soorten titaniumoxide, zoals TiO2 en TixOy (TiO / Ti2O3/ Ti3O5). TNT’s gevormd door verschillende anodisatiespanningen en -tijden hadden verschillende concentraties van dergelijke oxidatiesoorten samen met een kleine hoeveelheid Ti-metaal (Ti0). Door de vorming van zuurstofdefecten hebben nanobuisjes quasi-metallische en metallische eigenschappen. Deze eigenschappen van de nanobuisjes kunnen de intracellulaire afgifte vergemakkelijken door verschillende mechanismen na bestraling met een nanoseconde pulslaser.
Schematische weergave van mogelijk mechanisme van fotoporatie op titaniumoxide nanobuisjes voor vrachtaflevering. Krediet: Toyohashi University of Technology.
HeLa – menselijke cervicale kankercellen werden gekweekt op TNT’s en er werd een biomoleculaire oplossing geïntroduceerd. Na blootstelling aan een 532-nm pulslaser op nanobuisjes, hebben we met succes propidiumjodide (PI) en dextran afgeleverd in de HeLa — menselijke baarmoederhalskankercellen met een hoge efficiëntie en levensvatbaarheid van de cellen.
Mogelijke principes van celmembraanperforatie zijn onder meer thermisch gemedieerde nanobellen, fotochemisch geïnduceerde reactieve zuurstofspecies (ROS), warmteoverdracht van nanobuisjes naar het celmembraan en gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie, hoge elektromagnetische veldverbetering op elke nanobuis. Dit leidt tot de vorming van caviterende nanobellen in elke celmembraan-nanobuis-interface die snel kunnen groeien, samensmelten en instorten om explosies te veroorzaken, resulterend in celmembraanperforatie, waardoor biomoleculen van buiten naar binnen in de cellen kunnen worden afgegeven. “Het precieze mechanisme voor de intracellulaire afgifte op TNT-gebaseerde fotoporatie is nog onduidelijk. Intracellulaire afgifte kan plaatsvinden door de combinatie van de mechanismen”, zegt L. Mohan, een onderzoeker aan de Toyohashi University of Technology.
Moeto Nagai, de teamleider van de Toyohashi University of Technology, is van mening dat nanobuisjes van titaniumoxide een veelzijdig en goedkoop platform kunnen zijn voor intracellulaire toediening met behulp van gepulseerde laser. De prominente kenmerken van dit apparaat hebben een parallelle en gecontroleerde uniforme afgifte met een hoge efficiëntie en levensvatbaarheid van de cellen, en het is mogelijk toepasbaar voor cellulaire therapie en regeneratieve geneeskunde.
L. Mohan et al. Kunnen nanobuisjes van titaniumoxide de intracellulaire afgifte vergemakkelijken door laserondersteunde fotoporatie ?, Applied Surface Science (2020). DOI: 10.1016 / j.apsusc.2020.148815
Geleverd door Toyohashi University of Technology
