Una imagen de microscopio electrónico de barrido de células cancerosas HeLa fijadas químicamente en el sustrato. Crédito:Universidad de Harvard
La capacidad de transportar cargas como medicamentos o ADN a las células es esencial para la investigación biológica y la terapia de enfermedades, pero las membranas celulares son muy buenas para defender su territorio. Los investigadores han desarrollado varios métodos para engañar o forzar la apertura de la membrana celular, pero estos métodos están limitados en el tipo de carga que pueden entregar y no son particularmente eficientes.
Ahora, Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson han desarrollado un nuevo método que utiliza microestructuras de oro para entregar una variedad de moléculas en las células con alta eficiencia y sin daños duraderos. La investigación se publica en ACS Nano .
"Ser capaz de entregar de forma eficaz cargas grandes y diversas directamente en las células transformará la investigación biomédica, "dijo Nabiha Saklayen, Candidato a doctorado en el Mazur Lab de SEAS y primer autor del artículo. "Sin embargo, Ningún sistema de entrega único actual puede hacer todas las cosas que necesita hacer a la vez. Los sistemas de administración intracelular deben ser altamente eficientes, escalable y rentable mientras que al mismo tiempo es capaz de transportar carga diversa y entregarla a celdas específicas en una superficie sin daños. Es un gran desafío ".
En investigaciones anteriores, Saklayen y sus colaboradores demostraron que el oro, Las microestructuras en forma de pirámide son muy buenas para enfocar la energía láser en puntos calientes electromagnéticos. En esta investigación, el equipo utilizó un método de fabricación llamado extracción de plantillas para hacer superficies, aproximadamente del tamaño de una moneda, con 10 millones de estas pequeñas pirámides.
"Lo hermoso de este proceso de fabricación es lo simple que es, "dijo Marinna Madrid, coautor del trabajo y candidato a doctorado en el Mazur Lab. "La eliminación de plantillas le permite reutilizar las plantillas de silicio de forma indefinida. Se tarda menos de un minuto en fabricar cada sustrato, y cada sustrato sale perfectamente uniforme. Eso no sucede muy a menudo en la nanofabricación ".
El equipo cultivó células cancerosas HeLa directamente en la parte superior de las pirámides y rodeó las células con una solución que contenía carga molecular.
Usando pulsos de láser de nanosegundos, el equipo calentó las pirámides hasta que los puntos calientes en las puntas alcanzaron una temperatura de unos 300 grados centígrados. Este calentamiento muy localizado, que no afectó a las células, hizo que se formaran burbujas justo en la punta de cada pirámide. Estas burbujas se abrieron paso suavemente hacia la membrana celular, abriendo breves poros en la célula y permitiendo que las moléculas circundantes se difundan en la célula.
Pulsos de nanosegundos de láser calientan las pirámides cubiertas de oro, haciendo que se formen burbujas justo en la punta de cada pirámide. Estas burbujas se abren paso suavemente hacia la membrana celular, abriendo breves poros y permitiendo que las moléculas se difundan. Las pirámides reales son uniformes en altura. Crédito:Nabiha Saklayen / Harvard SEAS
"Descubrimos que si creamos estos poros muy rápidamente, las células se curarían solas y podríamos mantenerlas con vida, saludable y dividido por muchos días, "Dijo Saklayen.
Cada célula cancerosa HeLa se asienta sobre unas 50 pirámides, lo que significa que los investigadores podrían crear alrededor de 50 poros diminutos en cada célula. El equipo podía controlar el tamaño de las burbujas controlando los parámetros del láser y podía controlar en qué lado de la celda penetrar.
Las moléculas entregadas a la célula eran aproximadamente del mismo tamaño que las cargas clínicamente relevantes, incluyendo proteínas y anticuerpos.
Próximo, el equipo planea probar los métodos en diferentes tipos de células, incluidas las células sanguíneas, células madre y células T. Clínicamente este método podría utilizarse en terapias ex vivo, donde las células no saludables se extraen del cuerpo, dado carga como drogas o ADN, y reintroducido en el cuerpo.
"Este trabajo es realmente emocionante porque hay tantos parámetros diferentes que podríamos optimizar para permitir que este método funcione en muchos tipos de celdas y cargas diferentes, ", dijo Saklayen." Es una plataforma muy versátil ".
La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha presentado solicitudes de patente y está considerando oportunidades de comercialización.
"Es fantástico ver cómo las herramientas de la física pueden hacer avanzar enormemente otros campos, especialmente cuando puede permitir nuevas terapias para enfermedades previamente difíciles de tratar, "dijo Eric Mazur, el profesor Balkanski de Física y Física Aplicada y autor principal del artículo.
