Eine spezielle Klasse von kleinen Goldpartikeln kann leicht durch Zellmembranen rutschen , so dass sie gute Kandidaten , um Drogen zu liefern direkt an die Zielzellen .
Eine neue Studie von MIT- Materialwissenschaftler zeigen, dass diese Nanopartikel in die Zellen durch die Nutzung einer Route in der Regel in Vesikel- Vesikel -Fusion , eine entscheidende Prozess, der Signalübertragung zwischen Nervenzellen können verwendet werden . In der 21. Juli Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications, beschreiben die Forscher im Detail den Mechanismus, mit dem diese Nanopartikel sind in der Lage, mit einer Membran zu verschmelzen.
Die Ergebnisse legen nahe, mögliche Strategien für die Gestaltung von Nanopartikeln - aus Gold oder anderen Materialien - , die in die Zellen noch leichter bekommen konnte .
"Wir haben eine Art von Mechanismus, der häufiger als derzeit bekannt sein könnte identifiziert ", sagt Reid Van Lehn, ein MIT- Doktorand in Material- und Ingenieurwissenschaften und einer der führenden Autoren des Papiers . "Durch die Identifizierung dieser Weg zum ersten Mal schlägt sie auch nicht nur , wie man diese besondere Klasse von Nanopartikeln zu konstruieren , aber das dieser Weg könnte auch in anderen Systemen aktiv sein. "
Andere führen Autor des Papiers ist Maria Ricci von École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz. Das Forschungsteam von Alfredo Alexander - Katz, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen , und Francesco Stellacci von EPFL führte , gehörte auch Wissenschaftler des Carlos Besta Institut für Neurologie in Italien und der Durham University in Großbritannien .
Die meisten Nanopartikel in Zellen durch Endozytose , ein Prozess, der die Partikel in intrazellulären Kompartimenten , die die Zellmembran beschädigt und Zellinhalt austreten kann einfängt . Doch im Jahr 2008 , Stellacci , der damals am MIT war , und Darrell Irvine , Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und der Bio-Engineering , festgestellt, dass eine spezielle Klasse von Gold-Nanopartikeln mit einer Mischung aus Molekülen beschichtet konnten Zellen ohne Unterbrechung ein.
"Warum dies geschah , und wie dies geschah , war ein Rätsel ", sagt Van Lehn .
Im vergangenen Jahr Alexander - Katz, Van Lehn, Stellacci und andere festgestellt, dass die Teilchen irgendwie Fusion mit Zellmembranen und in die Zellen aufgenommen wird. In ihrer neuen Studie , detaillierte atomistische Simulationen erstellt sie zu modellieren, wie dies geschieht, und Experimente durchgeführt , die die Modellvorhersagenbestätigt.
Stealth Eintrag
Goldnanopartikel für die Arzneimittelabgabe verwendet werden, gewöhnlich mit einer dünnen Schicht von Molekülen, die Melodie Hilfe ihrer chemischen Eigenschaften beschichtet. Einige dieser Moleküle oder Liganden werden die negativ geladenen und hydrophilen , während der Rest hydrophob sind. Die Forscher fanden heraus , dass die Teilchen die Fähigkeit , in Zellen einzudringen , hängt von Wechselwirkungen zwischen hydrophoben Liganden und Lipiden in der Zellmembran gefunden.
Zellmembranen bestehen aus einer Doppelschicht aus Phospholipid- Moleküle, die hydrophoben und hydrophilen LipidschwänzeKöpfe haben . Die LipidschwänzeGesicht in Richtung zueinander , während die hydrophilen Köpfe nach außen zeigen .
In ihren Computersimulationen , zum ersten Mal erstellt die Forscher , was sie einen "perfekten Doppelschicht ", in dem alle Lipidschwänzebleiben in Kraft innerhalb der Membran nennen . Unter diesen Bedingungen , die Forscher fanden heraus , dass die Gold-Nanopartikel nicht mit der Zellmembran verschmelzen.
Wenn die Modellmembran enthält jedoch eine " Fehler" - eine Öffnung, durch die Lipidschwänzekann herausrutschen - Nanopartikel beginnen, um die Membran gelangen. Wenn diese Lipid Vorsprünge auf, die Lipide und Partikel haften aneinander , weil sie hydrophob sind beides, und die Teilchen durch die Membran ohne Beschädigung verschlungen .
In Echt Zellmembranen treten diese Vorsprünge zufällig , besonders nahe Sites wo Proteine in der Membran eingebettet. Sie öfter kommen auch bei Kurvenabschnitte der Membran , weil es schwieriger für die hydrophilen Köpfe vollständig decken eine gekrümmte Fläche als eine flache eins, wobei Lücken für die Lipid- Schwänze zu überstehen.
"Es ist ein Packungsproblem ", sagt Alexander - Katz . "Da ist offener Raum , wo Schwänze herauskommen kann , und es wird Wasser in Berührung zu sein . Es macht es nur 100 -mal wahrscheinlicher, eine dieser Vorsprünge kommen in stark gekrümmten Bereichen der Membran . "
Die Nachahmung der Natur
Diese Erscheinung tritt auf , ein Verfahren , das in den Zellen natürlicherweise nachahmen - die Verschmelzung der Vesikel mit der Zellmembran. Vesikel sind kleine Kugeln von membranartiges Material, das Ladung tragen wie Neurotransmitter oder Hormone.
Die Ähnlichkeit zwischen Aufnahme von Vesikeln und Nanopartikel- Eintrag legt nahe, dass Zellen , wo eine Menge Vesikelfusion natürlicherweise konnten gute Ziele für die Arzneistoffabgabe durch Gold-Nanopartikel sein . Die Forscher planen, weiter zu analysieren , wie die Zusammensetzung der Membranen und die Proteine in ihnen eingebettete beeinflussen die Absorptionsverfahren in verschiedenen Zelltypen . "Wir wollen wirklich, alle Einschränkungen und zu bestimmen, wie wir am besten Design- Nanopartikel zu bestimmten Zelltypen oder Regionen eines Zielzelle", sagt Van Lehn .
"Man könnte die Ergebnisse aus dieser Arbeit verwenden, um darüber, wie Sie diese Erkenntnisse in verbesserte Nanopartikel Lieferfahrzeuge nutzen, denken - zum Beispiel, könnten vielleicht neue Oberflächenliganden für Nanopartikel hergestellt werden, um eine verbesserte Affinität für beide Oberflächengruppen und Lipid- Schwänze haben", sagt Catherine Murphy , Professor für Chemie an der University of Illinois in Urbana-Champaign , die nicht an der Studie beteiligt war.