Per la prima volta, i ricercatori hanno trovato un modo per iniettare una dose precisa di un agente di terapia genica direttamente in una singola cellula vivente senza ago.

La tecnica utilizza l'elettricità per "sparare" frammenti di biomolecole terapeutiche attraverso un minuscolo canale e in una cellula in una frazione di secondo.

L. James Lee e i suoi colleghi della Ohio State University descrivono la tecnica nell'edizione online della rivista Nanotecnologia della natura , dove riferiscono di aver inserito con successo dosi specifiche di un gene anti-cancro in singole cellule leucemiche per ucciderle.

Hanno soprannominato il metodo "elettroporazione nanocanale, " o NEP.

"NEP ci permette di studiare come i farmaci e altre biomolecole influenzano la biologia cellulare e i percorsi genetici a un livello non raggiungibile da nessuna tecnica esistente, " ha detto Lee, che è la professoressa Helen C. Kurtz di ingegneria chimica e biomolecolare e direttrice del NSF Nanoscale Science and Engineering Center for Affordable Nanoengineering of Polymeric Biomedical Devices presso l'Ohio State.

Ci sono stati a lungo modi per inserire quantità casuali di biomateriale in grandi quantità di cellule per la terapia genica. E gli aghi sottili possono iniettare quantità specifiche di materiale in grandi cellule. Ma la maggior parte delle cellule umane è troppo piccola perché anche gli aghi più piccoli possano essere utili.

NEP aggira il problema sospendendo una cellula all'interno di un dispositivo elettronico con un serbatoio di agente terapeutico nelle vicinanze. Gli impulsi elettrici spingono l'agente fuori dal serbatoio e attraverso un canale in scala nanometrica (miliardesimo di metro) nel dispositivo, attraverso la parete cellulare, e nella cella. I ricercatori controllano la dose regolando il numero di impulsi e l'ampiezza del canale.

In Nanotecnologia della natura , spiegano come hanno costruito dispositivi prototipo utilizzando stampi polimerici. Hanno usato singoli filamenti di DNA come modelli per i canali di dimensioni nanometriche.

Lee ha inventato la tecnica per srotolare i filamenti di DNA e formarli in schemi precisi in modo che potessero funzionare come fili nell'elettronica e nei dispositivi medici a base biologica. Ma per questo studio, filamenti di DNA rivestiti d'oro sono stati allungati tra due serbatoi e poi attaccati via, in modo da lasciare un nanocanale di dimensioni precise che collega i serbatoi all'interno del dispositivo polimerico.

Gli elettrodi nei canali trasformano il dispositivo in un minuscolo circuito, e impulsi elettrici di poche centinaia di volt viaggiano dal serbatoio con l'agente terapeutico attraverso il nanocanale e in un secondo serbatoio con la cellula. Questo crea un forte campo elettrico all'uscita del nanocanale, che interagisce con la carica elettrica naturale della cellula per forzare l'apertura di un foro nella membrana cellulare, uno abbastanza grande da rilasciare l'agente, ma abbastanza piccolo da non uccidere la cellula.

Nei test, sono stati in grado di inserire agenti nelle cellule in pochi millisecondi, o millesimi di secondo.

Primo, hanno etichettato frammenti di DNA sintetico con molecole fluorescenti, e ha usato la NEP per inserirli nelle cellule immunitarie umane. Dopo un singolo impulso di 5 millisecondi, hanno iniziato a vedere macchie di fluorescenza sparse all'interno delle cellule. Hanno testato diverse lunghezze di impulso fino a 60 millisecondi, che hanno riempito le cellule di fluorescenza.

Per verificare se la NEP potrebbe fornire agenti terapeutici attivi, hanno inserito frammenti di RNA terapeutico nelle cellule leucemiche. Impulsi di appena 5 millisecondi hanno rilasciato abbastanza RNA per uccidere alcune delle cellule. Impulsi più lunghi, che si avvicinano ai 10 millisecondi, li hanno uccisi quasi tutti. Hanno anche inserito dell'RNA innocuo in altre cellule leucemiche per il confronto, e quelle cellule vivevano.

Al momento, il processo è più adatto per la ricerca di laboratorio, Lee ha detto, perché funziona solo su una o più celle alla volta. Ma lui e il suo team stanno lavorando su come iniettare molte cellule contemporaneamente. Attualmente stanno sviluppando un sistema di caricamento meccanico delle celle che inietterebbe fino a 100, 000 celle in una volta, che potenzialmente renderebbero possibili diagnosi e trattamenti clinici.

"Speriamo che la NEP possa alla fine diventare uno strumento per la diagnosi e il trattamento precoci del cancro, ad esempio inserendo quantità precise di geni o proteine ​​nelle cellule staminali o nelle cellule immunitarie per guidarne la differenziazione e i cambiamenti, senza i problemi di sicurezza causati dal sovradosaggio, e poi rimettere le cellule nel corpo per la terapia cellulare, " ha aggiunto Lee.

Vede potenziali applicazioni per la diagnosi e il trattamento della leucemia, cancro ai polmoni, e altri tumori. Sta lavorando con i ricercatori del Comprehensive Cancer Center dell'Ohio per esplorare queste possibilità.