UC Berkeleys forskare designar smarta nanosonder, kallas nanokoraller, att selektivt fästa till cancerceller, leverera terapeutiska läkemedel och rapportera om den lokala molekylära miljön. Ena sidan av nanokoralerna är utformad för att selektivt rikta in sig på cellen, medan den andra har en uppruvd yta för att känna av kemiska partiklar i miljön. (Benjamin Ross och Liz Wu, UC Berkeley)
(PhysOrg.com) - Forskare vid UC Berkeley har skapat smarta nanosonder som en dag kan användas i kampen mot cancer för att selektivt söka upp och förstöra tumörceller, samt rapportera tillbaka om uppdragets status. Forskargruppen skapade multifunktionella sonder, som de har kallat nanokoraller.
Ett litet antal forskarlag runt om i världen har utvecklat målspecifika nanosonder under de senaste 10 åren i ett försök att minska - och kanske eliminera - den giftiga kemoterapin som tar på de friska cellerna som finns nära deras sjuka motsvarigheter.
Vad hade saknats, dock, är en mekanism genom vilken nanosonderna inte bara kunde hitta cancercellen, men också vidarebefordra information när de låste sig på målet. UC Berkeley-teamet skapade sådana multifunktionella sonder, som de har kallat nanokoraler.
Utvecklingen av de nya nanokoralerna är omslagsberättelsen för den 22 februari tryckta utgåvan av den peer-reviewed journal Små .
"Om du skickar en satellit ut i rymden, du behöver den för att göra mer än en sak. Den måste nå sitt mål, upptäcka sin omgivning, och kommunicera tillbaka till markkontroll, sa Luke Lee, Lloyd Distinguished Professor of Bioengineering vid UC Berkeley och chef för UC Berkeley-teamet som utvecklade nanokoralen. "Detsamma gäller i den molekylära galaxen. Vi behöver sonder som kan hitta en sjuk cell, behandla det, och berätta om närmiljön så att vi kan avgöra om behandlingen fungerar. Nanokoralsonderna vi uppfann är ett viktigt steg i denna riktning."
De små sonderna mäter några hundra nanometer i diameter - en tusendel av bredden på ett människohår, och en hundradel av storleken på de flesta cancerceller. Teamets insikt var att kombinera olika material - grovt guld på ena sidan, och slät polystyren på den andra - på en enda sond.
Namnet på den nya sonden är inspirerat av naturliga havskoraller, som använder grova ytor för att förbättra infångningen av ljus och matpartiklar.
"Som naturliga koraller, den mycket uppruggade nanokoralytan är designad för att fånga molekyler nära sonderna, och rapportera sin närvaro tillbaka till forskare, sa Benjamin Ross, en Ph.D. student i UC Berkeleys Applied Science and Technology Program, och en av två medförfattare till studien. "Den typ av molekyler som finns - eller saknas - på cellens yta kan ge tydliga tecken på hur en cell reagerar på det nya läkemedlet som levereras."
Den avkännande sidan av nanokoralen bygger på en teknik som kallas ytförstärkt Ramanspektroskopi (SERS), som drar nytta av de elektromagnetiska excitationer som uppstår när molekyler kommer i kontakt med en ruggad yta på en metall, som guld. Molekyler producerar oscillationer som ger resonans vid signaturfrekvenser när de utsätts för laserljus, avslöjar sin närvaro för forskarna.
Forskarna verifierade nanokoralens känslighet genom att mäta dess förmåga att detektera en standardkemisk förening för Raman-spektroskopi.
För att få nanokoralen att rikta in sig på specifika celler, forskarna utnyttjade möjligheten att fästa antikroppar på polymerytor.
"Vi kan skräddarsy nanokoralen till cancerceller av intresse genom att fästa lämpliga antikroppar, " sa studiens andra huvudförfattare, Liz Wu, som genomförde denna forskning som Ph.D. student på yrkeshögskolan.
Forskarna demonstrerade detta koncept genom att belägga polystyrenytan med antikroppar som attackerar human epidermal tillväxtfaktorreceptor 2 (HER-2), ett välkänt mål för cancerbehandling eftersom det ofta överuttrycks i aggressiva former av bröstcancer. De bekräftade med både ljusa fält och fluorescerande bilder att nanokoralen fästes på bröstcancerceller med HER-2-receptorer, medan kontrollexperiment visade att ingen bindning inträffade när olika antikroppar eller när celler som saknade HER-2 användes.
"Vi är fortfarande i de tidiga utvecklingsstadierna, men vi är optimistiska att nanokorallerna så småningom kommer att bli användbara diagnostiska och behandlingsverktyg för ett brett spektrum av cancerformer, ", sa Lee. "Detta kommer potentiellt att tillåta oss inte bara att leverera en drog, men också för att se svaret i realtid på subcellulär nivå."
En annan medförfattare till studien är SoonGweon Hong, UC Berkeley doktorand i bioteknik.
