Progettazione e funzionamento del NES. (A) Le cellule vengono coltivate sulla membrana NS in una geometria della piastra a pozzetti. (B) Il reagente di erogazione è posto sotto il fondo del serbatoio. Un campo elettrico viene applicato tra l'elettrodo di platino e ITO per fornire molecole esogene nelle cellule. (C) Schema del meccanismo di consegna del NES. Le molecole sotto la membrana NS vengono iniettate elettroforeticamente nelle cellule di interesse attraverso NS. La concentrazione erogata (Cin) è in relazione quadratica con l'intensità di tensione applicata alle cellule (V) ed è proporzionale alla concentrazione di molecole esogene (Cex) e alla durata dell'erogazione. (D) Immagine SEM del NS che sporge dalla membrana. Barra della scala, 300 nanometri. Credito: Progressi scientifici (2018). DOI:10.1126/sciadv.aat8131
I ricercatori possono progettare la molecola perfetta per modificare un gene, curare il cancro o guidare lo sviluppo di una cellula staminale, ma niente di tutto questo alla fine avrà importanza se non riusciranno a portare le loro molecole nelle cellule umane che vogliono manipolare. La soluzione a quel problema, descritto in uno studio pubblicato il 31 ottobre in Progressi scientifici , potrebbero essere minuscole nanocannucce, minuscole sporgenze simili al vetro che praticano fori altrettanto minuscoli nelle pareti cellulari per trasportare il loro carico.
Una squadra guidata da Nicholas Melosh, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, ha iniziato a testare le nanocannucce circa cinque anni fa utilizzando linee cellulari relativamente resistenti derivate da tumori, cellule di topo e altre fonti. Ora, Melosh e colleghi hanno dimostrato che la tecnica funziona anche nelle cellule umane, un risultato che potrebbe accelerare la ricerca medica e biologica e potrebbe un giorno migliorare la terapia genica per le malattie degli occhi, sistema immunitario o tumori.
"Quello che stai vedendo è un'enorme spinta per la terapia genica e l'immunoterapia del cancro, " disse Melosh, che è anche membro di Stanford Bio-X, Stanford ChEM-H e il Wu Tsai Neurosciences Institute, ma le tecniche esistenti non sono all'altezza della sfida di fornire materiali a tutti i tipi di cellule umane rilevanti, soprattutto le cellule immunitarie. "Sono davvero resistenti rispetto a quasi tutte le altre cellule che abbiamo gestito, " Egli ha detto.
Attraversare la membrana cellulare
L'idea di trasportare sostanze chimiche attraverso la membrana cellulare e nella cellula stessa non è nuova, ma ci sono una serie di problemi con i metodi su cui gli scienziati hanno fatto affidamento fino ad ora. In un metodo comune, chiamata elettroporazione, i ricercatori usano una corrente elettrica per aprire buchi nelle pareti cellulari attraverso i quali molecole come il DNA o le proteine possono diffondersi, ma il metodo è impreciso e può uccidere molte delle cellule con cui i ricercatori stanno cercando di lavorare.
In un altro metodo, i ricercatori usano i virus per trasportare la molecola di interesse attraverso una parete cellulare, ma il virus stesso comporta dei rischi. Sebbene esistano metodi simili che sostituiscono i virus con sostanze chimiche più benigne, sono meno precisi ed efficaci.
Questo era lo stato delle cose fino a cinque o sei anni fa, quando Melosh e colleghi hanno escogitato un nuovo modo per introdurre le molecole nelle cellule, basato sull'esperienza di Melosh nei nanomateriali. Userebbero l'elettroporazione, ma fallo in un modo molto più preciso con le nanocannucce, che a causa della loro relativamente lunga, il profilo stretto aiuta a concentrare le correnti elettriche in uno spazio molto piccolo.
Al tempo, hanno testato quella tecnica su cellule animali sedute su un letto di nanocannucce. Quando hanno acceso una corrente elettrica, le nanocannucce si aprivano minuscole, pori di dimensioni regolari nella membrana cellulare, abbastanza da consentire l'ingresso di molecole, ma non abbastanza per fare seri danni.
La corrente elettrica serviva anche a un altro scopo. Piuttosto che aspettare che le molecole fluttuino casualmente attraverso i pori appena aperti, la corrente attirava le molecole direttamente nella cellula, aumentando la velocità e la precisione del processo. La domanda a quel tempo era se la tecnica sarebbe stata altrettanto efficace sui tipi di cellule umane che i medici avrebbero dovuto manipolare per curare le malattie.
Più veloce, più sicuro, Più preciso
Nel nuovo giornale, Melosh e il team hanno dimostrato che la risposta era sì:hanno consegnato con successo molecole in tre tipi di cellule umane e cellule cerebrali di topo, tutto ciò si era rivelato difficile da lavorare in passato.
Cosa c'è di più, il metodo era più preciso, più veloce e più sicuro di altri metodi. La tecnica della nanopaglia ha impiegato solo 20 secondi per fornire molecole alle cellule, rispetto ai giorni per alcuni metodi, e ha ucciso meno del dieci percento delle cellule, un grande miglioramento rispetto all'elettroporazione standard.
Melosh e il suo laboratorio stanno ora lavorando per testare il metodo della nanopaglia in alcuni dei più difficili da lavorare con le cellule in giro, cellule immunitarie umane. Se ci riescono, potrebbe essere un grande passo non solo per gli scienziati che vogliono modificare le cellule per scopi di ricerca, ma anche per i medici che cercano di curare il cancro con l'immunoterapia, che in questo momento comporta la modifica delle cellule immunitarie di una persona utilizzando metodi virali. Nanostraws non solo eviterebbe questo rischio, ma potrebbe potenzialmente accelerare il processo di immunoterapia e ridurne i costi, anche, ha detto Melosh.
