För första gången, ett tvärvetenskapligt team från universitetet i Basel har lyckats integrera artificiella organeller i cellerna hos levande zebrafiskembryon. Detta innovativa tillvägagångssätt med konstgjorda organeller som cellulära implantat erbjuder ny potential för behandling av en rad olika sjukdomar, som författarna rapporterar i en artikel publicerad i Naturkommunikation .

I cellerna hos högre organismer, organeller som kärnan eller mitokondrierna utför en rad komplexa funktioner som är nödvändiga för livet. I nätverken från Swiss Nanoscience Institute och NCCR "Molecular Systems Engineering", gruppen som leds av professor Cornelia Palivan från kemiska institutionen vid universitetet i Basel arbetar med att producera sådana organeller i laboratoriet, att introducera dem i celler, och för att kontrollera deras aktivitet som svar på närvaron av yttre faktorer (t.ex. förändring i pH -värden eller reducerande förhållanden).

Dessa cellimplantat kan, till exempel, bära enzymer som kan omvandla en farmaceutisk ingrediens till den aktiva substansen och släppa den "på begäran" under specifika förhållanden. Att administrera läkemedel på detta sätt kan avsevärt minska både mängden som används och biverkningarna. Det skulle tillåta behandling endast att ges när det krävs av förändringar i samband med patologiska tillstånd (t.ex. en tumör).

Små kapslar med en enzymatisk last

De artificiella organellerna är baserade på små kapslar som bildas spontant i lösning från polymerer och kan omsluta olika makromolekyler såsom enzymer. De konstgjorda organellerna som presenteras här innehöll ett peroxidasenzym som bara börjar verka när specifika molekyler tränger in i kapselns vägg och stöder den enzymatiska reaktionen.

För att kontrollera ämnets passage, forskarna införlivade kemiskt modifierade naturliga membranproteiner i kapselns vägg. Dessa fungerar som portar som öppnas enligt glutationskoncentrationen i cellen.

Vid ett lågt glutationvärde, membranproteinernas porer är "stängda" - det vill säga inga ämnen kan passera. Om glutationkoncentrationen stiger över en viss tröskel, proteinporten öppnas och ämnen utifrån kan passera genom poren in i kapselns hålighet. Där, de omvandlas av enzymet inuti och reaktionsprodukten kan lämna kapseln genom den öppna grinden.

Även effektiv i levande organismer

I samarbete med gruppen som leds av professor Jörg Huwyler vid Institutionen för farmaceutiska vetenskaper vid universitetet i Basel, de artificiella organellerna har också studerats in vivo. "Vi har nu kunnat integrera dessa kontrollerbara artificiella organeller i cellerna i en levande organism för första gången, säger Cornelia Palivan.

Forskarna valde zebrafiskembryon eftersom deras transparenta kroppar möjliggör utmärkt spårning av mobilimplantaten under ett mikroskop när de är markerade med ett fluorescerande färgämne.

Efter att de artificiella organellerna injicerats, de "åt" av makrofager och tog sig därför in i organismen. Forskarna kunde sedan visa att peroxidasenzymet som fångades inuti den artificiella organellen aktiverades när väteperoxid som produceras av makrofagerna gick in genom proteinportarna.

"I den här studien, vi visade att de artificiella organellerna, som är inspirerade av naturen, fortsätta att arbeta som avsett i den levande organismen, och att proteinporten vi införlivade inte bara fungerar i cellkulturer utan även in vivo, "kommenterar Toma Einfalt, den första författaren till artikeln och examen vid doktorandskolan vid Swiss Nanoscience Institute. Tanken att använda artificiella organeller som cellimplantat med potential att producera aktiva farmaceutiska föreningar, till exempel, öppnar nya perspektiv för patientorienterad proteinterapi.