Många sjukdomar orsakas av defekter i kroppens cellers signalvägar. I framtiden, bioaktiva nanokapslar kan bli ett värdefullt verktyg för medicin för att kontrollera dessa vägar. Forskare från universitetet i Basel har tagit ett viktigt steg i denna riktning:De lyckas få flera olika nanokapslar att arbeta tillsammans för att förstärka en naturlig signalkaskad och påverka cellbeteende.

Celler kommunicerar ständigt med varandra och har sätt att fånga upp signaler och bearbeta dem – liknande människor som behöver öron för att höra ljud och kunskap om språk för att bearbeta deras betydelse. Att kontrollera cellens egna signalvägar är av stort intresse för medicin för att behandla olika sjukdomar.

En forskargrupp från Institutionen för kemi vid universitetet i Basel och NCCR Molecular Systems Engineering utvecklar bioaktiva material som kan vara lämpliga för detta ändamål. För att uppnå detta, forskarna under ledning av professor Cornelia Palivan kombinerar nanomaterial med naturliga molekyler och celler.

I journalen ACS Nano , de rapporterar nu hur enzymladdade nanokapslar kan komma in i celler och integreras i deras naturliga signaleringsprocesser. Genom att funktionellt koppla flera nanokapslar, de kan förstärka en naturlig signalväg.

Skyddar lasten

För att skydda enzymerna från nedbrytning i en cellulär miljö laddade forskargruppen dem i små polymerkapslar. Molekyler kan komma in i utrymmet genom biologiska porer som är specifikt införda i dess syntetiska vägg och reagera med enzymerna inuti.

Forskarna genomförde experiment med nanokapslar med olika enzymer som fungerade i tandem:produkten från den första enzymatiska reaktionen kom in i en andra kapsel och startade den andra reaktionen inuti. Dessa nanokapslade kunde förbli operativa i dagar och deltog aktivt i naturliga reaktioner i däggdjursceller.

Små högtalare och öron

En av de många signaler som celler tar emot och bearbetar är kväveoxid (NO). Det är en väl studerad cellulär mekanism eftersom defekter i NO-signalvägen är involverade i uppkomsten av hjärt-kärlsjukdomar, men även vid muskel- och retinaldystrofier. Vägen omfattar produktionen av NO av en enzymfamilj som kallas kväveoxidsyntaser (NOS). NO kan sedan diffundera till andra celler där det känns av ett annat enzym som heter lösligt guanylatcyklas (sGC). Aktiveringen av sGC startar en kaskadreaktion, reglerar en uppsjö av olika processer såsom avslappning av glatt muskulatur och bearbetning av ljus av sensoriska celler, bland andra.

Forskarna ledda av Palivan producerade kapslar som hyser NOS och sGC, som finns naturligt i celler, men vid mycket lägre koncentrationer:NOS-kapslarna, producerar NO, agera på samma sätt som högtalare, "ropar" sin signal högt och tydligt; sGC-kapslarna, fungera som öron, avkänner och bearbetar signalen för att förstärka svaret.

Genom att använda den intracellulära koncentrationen av kalcium, vilket beror på verkan av sGC, som en indikator, forskarna visade att kombinationen av både NOS- och sGC-laddade kapslar gör cellerna mycket mer reaktiva, med en 8-faldig ökning av den intracellulära kalciumnivån.

En ny strategi för enzymersättningsterapi

"Det är en ny strategi för att stimulera sådana förändringar i cellfysiologi genom att kombinera nanovetenskap med biomolekyler, " kommenterar Dr Andrea Belluati, studiens första författare. "Vi var bara tvungna att inkubera våra enzymladdade kapslar med cellerna, och de var redo att agera med ett ögonblicks varsel”.

"Detta proof of concept är ett viktigt steg inom området för enzymersättningsterapi för sjukdomar där biokemiska vägar inte fungerar, såsom hjärt-kärlsjukdomar eller flera dystrofier, ", tillägger Cornelia Palivan.