(PhysOrg.com) -- Immagina di poter far cadere uno stuzzicadenti sulla testa di una persona in particolare che si trova tra 100, 000 persone in uno stadio. Sembra impossibile, tuttavia questo grado di precisione a livello cellulare è stato dimostrato da ricercatori affiliati al Johns Hopkins University Institute for NanoBioTechnology. Il loro studio è stato pubblicato online a giugno in Nanotecnologia della natura .

Il team ha utilizzato precisi campi elettrici come "pinzette" per guidare e posizionare i nanofili d'oro, ciascuno circa un-duecentesimo delle dimensioni di una cella, in punti prestabiliti, ciascuno su una singola cella. Le molecole che rivestono le superfici dei nanofili hanno quindi innescato una cascata di azioni biochimiche solo nella cellula in cui il filo ha toccato, senza influenzare altre cellule vicine. I ricercatori affermano che questa tecnica potrebbe portare a modi migliori di studiare le singole cellule o persino le parti cellulari, e alla fine potrebbe produrre nuovi metodi di somministrazione dei farmaci.

Infatti, anche le tecniche che non si basano su questa nuova tecnologia basata su nanofili non sono molto precise, portando alla stimolazione di più cellule, o richiedono complesse alterazioni biochimiche delle cellule.

Con la nuova tecnica i ricercatori possono, ad esempio, cellule bersaglio che hanno proprietà cancerose (tasso di divisione cellulare più elevato o morfologia anormale), risparmiando i loro vicini sani.

"Una delle maggiori sfide nella biologia cellulare è la capacità di manipolare l'ambiente cellulare nel modo più preciso possibile, " ha detto il ricercatore principale Andre Levchenko, un professore associato di ingegneria biomedica presso la Whiting School of Engineering della Johns Hopkins. Negli studi precedenti, Levchenko ha utilizzato dispositivi lab-on-a-chip o microfluidici per manipolare il comportamento cellulare. Ma, Egli ha detto, i metodi lab-on-a-chip non sono così precisi come vorrebbero i ricercatori. "Nei chip microfluidici, se si altera l'ambiente cellulare, colpisce tutte le cellule contemporaneamente, " Egli ha detto.

Questo non è il caso dei nanofili d'oro, che sono cilindri metallici di poche centinaia di nanometri o meno di diametro. Proprio come l'ignaro spettatore sportivo sentirebbe solo un leggero tocco di uno stuzzicadenti che viene lasciato cadere sulla testa, la cellula reagisce solo alle molecole rilasciate dal nanofilo in un punto molto preciso in cui il filo tocca la superficie della cellula.

Con il contributo di Chia-Ling Chien, professore di fisica e astronomia alla Krieger School of Arts and Sciences, e Roberto Cammarata, un professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Whiting School, il team ha sviluppato nanofili rivestiti con una molecola chiamata fattore di necrosi tumorale alfa (TNF-alfa), una sostanza rilasciata dai macrofagi che divorano i patogeni, comunemente chiamati globuli bianchi. In determinate condizioni cellulari, la presenza di TNF-alfa induce le cellule ad attivare i geni che aiutano a combattere le infezioni, ma il TNF-alfa è anche in grado di bloccare la crescita del tumore e arrestare la replicazione virale.

Esposizione a troppo TNF-alfa, però, fa sì che un organismo vada in uno stato potenzialmente letale chiamato shock settico, ha detto Levchenko.

Fortunatamente, Il TNF-alfa rimane in posizione una volta rilasciato dal filo alla superficie cellulare, e poiché l'effetto del TNF-alfa è localizzato, il piccolo bit consegnato dal filo è sufficiente per attivare la risposta cellulare desiderata. Più o meno la stessa cosa accade quando il TNF-alfa viene escreto da un globulo bianco.

Inoltre, il rivestimento di TNF-alfa conferisce al nanofilo una carica negativa, rendendo il filo più facile da manovrare tramite i due campi elettrici perpendicolari del dispositivo "pinzetta", una tecnica sviluppata da Donglei Fan come parte della sua ricerca di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali Johns Hopkins.

"Le pinzette elettriche sono state inizialmente sviluppate per assemblare, trasportare e ruotare nanofili in soluzione, "Cammarata ha detto. "Donglei ha poi mostrato come utilizzare le pinzette per produrre array di nanofili modellati e costruire nanomotori e nano-oscillatori. Questo nuovo lavoro con il gruppo del Dr. Levchenko dimostra quanto sia estremamente versatile una tecnica".

Per testare il sistema, il team ha coltivato cellule cancerose della cervice uterina in un piatto. Quindi, utilizzando campi elettrici perpendicolari tra loro, sono stati in grado di fulminare i nanofili in un punto prestabilito e farli cadere in una posizione precisa. "In questo modo, possiamo predeterminare il percorso che i fili percorreranno e fornire un carico utile molecolare a una singola cella tra le tante, e anche a una parte specifica della cellula, " ha detto Levchenko.

Nel corso di questo studio, il team ha anche stabilito che l'effetto desiderato generato dal TNF-alfa fornito da nanofili era simile a quello sperimentato da una cellula in un organismo vivente.

I membri del team prevedono molte possibilità per questo metodo di somministrazione di molecole subcellulari.

"Per esempio, ci sono molti altri modi per innescare il rilascio della molecola dai fili:rilascio fotografico, rilascio chimico, rilascio di temperatura. Per di più, si potrebbero attaccare molte molecole contemporaneamente ai nanofili, " Ha detto Levchenko. Ha aggiunto che i nanofili possono essere fatti molto più piccoli, ma ha detto che per questo studio i fili sono stati fatti abbastanza grandi da vedere con la microscopia ottica.

In definitiva, Levchenko vede i nanofili diventare uno strumento utile per la ricerca di base.

"Con questi fili, stiamo cercando di imitare il modo in cui le cellule parlano tra loro, ", ha detto. "Potrebbero essere uno strumento meraviglioso che potrebbe essere utilizzato nella ricerca fondamentale o applicata". Le applicazioni di somministrazione di farmaci potrebbero essere molto più lontane. Tuttavia,

Levchenko ha detto, "Se i fili mantengono la loro carica negativa, i campi elettrici potrebbero essere usati per manipolare e manovrare la loro posizione nel tessuto vivente".