(PhysOrg.com) -- Ett av löftena med nanomedicin är utformningen av små partiklar som kan komma in i sjuka celler och komma in i dem. Nanopartiklar kan bära läkemedel in i celler och tagga celler för MRI och andra diagnostiska tester; och de kan så småningom komma in i en cells kärna för att reparera skadade gener. Tyvärr, att designa dem innebär lika mycket tur som teknik.
"Allt inom nanomedicin just nu är hit-and-miss så långt som det biologiska ödet för nanopartiklar, ", sade Rice University bioteknikforskare Jennifer West. "Det finns ingen systematisk förståelse för hur man designar en partikel för att uppnå ett visst mål i termer av var den går i en cell eller om den ens går in i en cell."
Wests labb och 11 andra i Texas Medical Center - inklusive tre vid Rices BioScience Research Collaborative - hoppas kunna ändra på det, tack vare ett anslag på $3 miljoner Grand Opportunity (GO) från National Institutes of Health. NIH etablerade GO-anslagsprogrammet med finansiering från American Recovery and Reinvestment Act (ARRA).
Ett problem som forskare står inför idag är att nanopartiklar finns i många former och storlekar och kan vara gjorda av väldigt olika material. Vissa nanopartiklar är sfäriska. Andra är långa och smala. Vissa är gjorda av biologiskt nedbrytbar plast och andra av guld, kol eller halvledande metaller. Och ibland är storlek – snarare än form eller material – avgörande.
West demonstrerar detta med en video på hennes dator som skapades av Rice GO-bidragsutredaren Junghae Suh. Filmen skapades genom att ta en bild med ett mikroskop med några sekunders mellanrum. I videon, dussintals partiklar rör sig inuti en cell. Hälften av partiklarna är märkta med ett rött fluorescerande färgämne och rör sig mycket långsamt. Resten är gröna och dragkedja från plats till plats.
"De är gjorda av samma material och har samma kemi, sa West, Rice's Isabel C. Cameron Professor och institutionsordförande för Bioteknik. "De är bara olika storlekar. Ändå kan du se de djupa skillnaderna i hur de rör sig i cellen. När vi börjar utforska ytterligare i storleksintervallet och förändra partiklarnas kemi, vi tror att vi sannolikt kommer att se ännu större effekter på var saker går in i cellen."
Jobbet med att avgöra om så är fallet faller på Suh, biträdande professor i bioteknik vid Rice. Till skillnad från andra studier inom området, som förlitar sig på ögonblicksbilder av döda celler, Suhs metod låter forskare spåra enskilda partiklar i levande celler. Hennes labb kommer att använda metoden i sida vid sida jämförelser av partiklar som tillhandahålls av de andra 11 laboratorierna i studien.
I alla, åtta klasser av nanopartiklar kommer att studeras. Dessa inkluderar långa, tunna rör av rent kol som kallas fullerener, små prickar av halvledare som kallas kvantprickar, rena guldstavar och sfärer, såväl som nanoskal -- nanopartiklar uppfanns på Rice som består av en glaskärna täckt av ett tunt guldskal. Dessutom, Suhs labb kommer att undersöka organiska partiklar gjorda av polyetylenglykol och kitosan.
"Vi kommer att använda en metod som kallas singelpartikelspårning för att fånga dynamiken i nanopartikelrörelser i levande celler, " sa Suh. "Med konfokalmikroskopi, vi skapar först filmer av partiklarna när de passerar cellerna. Sedan, vi använder bildbehandlingsprogram för att extrahera information om hur snabbt de rör sig, vilka regioner de attraheras av, etc. Genom att jämföra rörelsen och ödet för de olika nanopartiklarna som designats av de många forskningslaboratorierna, vi hoppas kunna identifiera korrelationer mellan en nanopartikels fysikalisk-kemiska egenskaper och deras intracellulära beteende."
I slutet av den tvååriga studien, teamet hoppas ha en databas som kartlägger det förväntade svaret från partiklar av en given storlek, typ och kemi. I sista hand, förhoppningen är att förse forskarna med ett verktyg som hjälper till att förutsäga hur en viss partikel sannolikt kommer att bete sig. Den där, i tur och ordning, kan hjälpa forskare att påskynda utvecklingen av nya behandlingar för sjukdomar.
"Vi vill förstå var partiklarna går in i cellen, vilka organeller de associerar med, om de associerar med någon av cytoskelettstrukturerna och hur de rör sig inuti cellen, " sa Suh. "För olika tillämpningar, du kommer att vilja att dina partiklar kommer till olika platser. Vi måste veta vart de går och hur de beter sig så att vi kan designa rätt partikel för ett visst jobb."
"Vi är glada över att få möjligheten att verkligen gå samman för att studera detta, ", sa Suh. "Det är bara den sortens problem som kräver den typ av stöd som NIH tillhandahåller med ARRA-finansiering. Det är ett problem som verkligen kräver en tvärvetenskaplig, interinstitutionellt tillvägagångssätt. ”
Projektets andra huvudutredare inkluderar Rebekah Drezek och Lon Wilson, båda av ris; Mauro Ferrari, Paolo Decuzzi, David Gorenstein, Jim Klostergaard, Chun Li, Gabriel Lopez-Berestein och Anil Sood, hela University of Texas Health Science Center i Houston; och Wah Chiu från Baylor College of Medicine.
GO-anslagsfinansiering tillhandahålls av NIH:s National Institute of General Medical Sciences. NIH etablerade GO-bidragsprogrammet för att stödja projekt som riktar sig till stora, specifika forskningsinsatser som sannolikt kommer att ge tillväxt på kort sikt och investeringar i biomedicinsk forskning och utveckling, folkhälsa och sjukvård.
Tillhandahålls av Rice University
