La capacità di trasportare merci come farmaci o DNA nelle cellule è essenziale per la ricerca biologica e la terapia delle malattie, ma le membrane cellulari sono molto brave a difendere il loro territorio. I ricercatori hanno sviluppato vari metodi per ingannare o forzare l'apertura della membrana cellulare, ma questi metodi sono limitati nel tipo di carico che possono trasportare e non sono particolarmente efficienti.

Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato un nuovo metodo che utilizza microstrutture d'oro per fornire una varietà di molecole nelle cellule con alta efficienza e senza danni duraturi. La ricerca è pubblicata su ACS Nano .

"Essere in grado di consegnare in modo efficace carichi grandi e diversificati direttamente nelle cellule trasformerà la ricerca biomedica, "ha detto Nabiha Saklayen, un dottorando nel Mazur Lab di SEAS e primo autore del paper. "Però, nessun sistema di consegna unico attuale può fare tutte le cose che devi fare in una volta. I sistemi di somministrazione intracellulare devono essere altamente efficienti, scalabile, economico e allo stesso tempo in grado di trasportare carichi diversi e consegnarli a celle specifiche su una superficie senza danni. È davvero una grande sfida".

In precedenti ricerche, Saklayen e i suoi collaboratori hanno dimostrato che l'oro, le microstrutture piramidali sono molto brave a focalizzare l'energia laser negli hotspot elettromagnetici. In questa ricerca, il team ha utilizzato un metodo di fabbricazione chiamato stripping del modello per creare superfici, delle dimensioni di circa un quarto, con 10 milioni di queste minuscole piramidi.

"La cosa bella di questo processo di fabbricazione è quanto sia semplice, " ha detto Marinna Madrid, coautore del paper e dottorando nel Mazur Lab. "La rimozione dei modelli consente di riutilizzare i modelli in silicio a tempo indeterminato. Ci vuole meno di un minuto per realizzare ogni substrato, e ogni supporto risulta perfettamente uniforme. Ciò non accade molto spesso nella nanofabbricazione".

Il team ha coltivato cellule cancerose HeLa direttamente sopra le piramidi e ha circondato le cellule con una soluzione contenente un carico molecolare.

Utilizzando impulsi laser a nanosecondi, il team ha riscaldato le piramidi fino a quando i punti caldi sulle punte hanno raggiunto una temperatura di circa 300 gradi Celsius. Questo riscaldamento molto localizzato, che non ha influenzato le cellule, ha causato la formazione di bolle proprio sulla punta di ogni piramide. Queste bolle si sono fatte strada delicatamente nella membrana cellulare, aprendo brevi pori nella cellula e permettendo alle molecole circostanti di diffondersi nella cellula.

"Abbiamo scoperto che se creavamo questi pori molto rapidamente, le cellule guarirebbero da sole e noi potremmo tenerle in vita, sano e dividente per molti giorni, "Ha detto Saklayen.

Ogni cellula cancerosa HeLa si trovava in cima a circa 50 piramidi, il che significa che i ricercatori potrebbero creare circa 50 piccoli pori in ogni cellula. Il team potrebbe controllare la dimensione delle bolle controllando i parametri laser e potrebbe controllare quale lato della cellula penetrare.

Le molecole consegnate nella cellula avevano all'incirca le stesse dimensioni dei carichi clinicamente rilevanti, comprese proteine ​​e anticorpi.

Prossimo, il team prevede di testare i metodi su diversi tipi di cellule, comprese le cellule del sangue, cellule staminali e cellule T. Clinicamente, questo metodo potrebbe essere utilizzato in terapie ex vivo, dove le cellule malsane vengono estratte dal corpo, dato carico come droghe o DNA, e reintrodotto nel corpo.

"Questo lavoro è davvero entusiasmante perché ci sono così tanti parametri diversi che potremmo ottimizzare per consentire a questo metodo di funzionare su molti tipi di cellule e carichi diversi, " ha detto Saklayen. "È una piattaforma molto versatile."

L'Office of Technology Development di Harvard ha depositato domande di brevetto e sta valutando opportunità di commercializzazione.

"È fantastico vedere come gli strumenti della fisica possono far avanzare notevolmente altri campi, soprattutto quando può consentire nuove terapie per malattie precedentemente difficili da trattare, " ha detto Eric Mazur, il Professore Balkanski di Fisica e Fisica Applicata e autore senior del documento.