(PhysOrg.com) -- Föreställ dig att kunna tappa en tandpetare i huvudet på en viss person som står bland 100, 000 personer på en stadion. Det låter omöjligt, ändå har denna grad av precision på cellnivå demonstrerats av forskare knutna till Johns Hopkins University Institute for NanoBioTechnology. Deras studie publicerades online i juni Naturens nanoteknik .

Teamet använde exakta elektriska fält som "pincett" för att styra och placera guld nanotrådar, var och en ungefär en tvåhundradel av en cells storlek, på förutbestämda ställen, var och en på en enda cell. Molekyler som täckte ytorna på nanotrådarna utlöste sedan en biokemisk kaskad av åtgärder endast i cellen där tråden berörde, utan att påverka andra celler i närheten. Forskarna säger att denna teknik kan leda till bättre sätt att studera enskilda celler eller till och med celldelar, och så småningom kunde producera nya metoder för att leverera medicin.

Verkligen, de tekniker som inte förlitar sig på denna nya nanotrådsbaserade teknik är heller inte särskilt exakta, leder till stimulering av flera celler, eller kräver komplexa biokemiska förändringar av cellerna.

Med den nya tekniken kan forskarna, till exempel, målceller som har canceregenskaper (högre celldelningshastighet eller onormal morfologi), samtidigt som de skonar sina friska grannar.

"En av de största utmaningarna inom cellbiologi är förmågan att manipulera cellmiljön på ett så exakt sätt som möjligt, sa chefsutredaren Andre Levchenko, en docent i biomedicinsk teknik vid Johns Hopkins' Whiting School of Engineering. I tidigare studier, Levchenko har använt lab-on-a-chip eller mikrofluidiska enheter för att manipulera cellbeteende. Men, han sa, lab-on-a-chip metoder är inte så exakta som forskare skulle vilja att de ska vara. "I mikrofluidchips, om du ändrar cellmiljön, det påverkar alla celler samtidigt, " han sa.

Så är inte fallet med guldnanotrådarna, som är metallcylindrar med några hundra nanometer eller mindre i diameter. Precis som den intet ont anande sportåskådaren skulle känna bara en lätt beröring från en tandpetare som tappades på huvudet, cellen reagerar bara på de molekyler som frigörs från nanotråden på ett mycket exakt ställe där tråden vidrör cellens yta.

Med bidrag från Chia-Ling Chien, professor i fysik och astronomi vid Krieger School of Arts and Sciences, och Robert Cammarata, professor i materialvetenskap och teknik vid Whiting School, teamet utvecklade nanotrådar belagda med en molekyl som kallas tumörnekrosfaktor-alfa (TNF-alfa), ett ämne som frigörs av patogenupptagande makrofager, brukar kallas vita blodkroppar. Under vissa cellulära förhållanden, närvaron av TNF-alfa triggar celler att slå på gener som hjälper till att bekämpa infektion, men TNF-alfa kan också blockera tumörtillväxt och stoppa viral replikation.

Exponering för för mycket TNF-alfa, dock, får en organism att gå in i ett potentiellt dödligt tillstånd som kallas septisk chock, sa Levchenko.

Lyckligtvis, TNF-alfa stannar kvar när den släpps från tråden till cellytan, och eftersom effekten av TNF-alfa är lokaliserad, den lilla biten som levereras av tråden räcker för att utlösa det önskade cellulära svaret. Ungefär samma sak händer när TNF-alfa utsöndras av en vita blodkropp.

Dessutom, beläggningen av TNF-alfa ger nanotråden en negativ laddning, gör tråden lättare att manövrera via de två vinkelräta elektriska fälten på "pincetten", en teknik utvecklad av Donglei Fan som en del av hennes Johns Hopkins doktorandforskning inom materialvetenskap och ingenjörskonst.

"Den elektriska pincetten utvecklades ursprungligen för att montera, transportera och rotera nanotrådar i lösning, "Sade Cammarata. "Donglei visade sedan hur man använder pincett för att producera mönstrade nanotrådsuppsättningar samt konstruera nanomotorer och nano-oscillatorer. Detta nya arbete med Dr Levchenkos grupp visar hur extremt mångsidig teknik det är."

För att testa systemet, laget odlade livmoderhalscancerceller i en skål. Sedan, använder elektriska fält vinkelräta mot varandra, de kunde zappa nanotrådarna till en förinställd plats och ploppa ner dem på en exakt plats. "På det här sättet, vi kan förutbestämma vägen som ledningarna kommer att färdas och leverera en molekylär nyttolast till en enda cell bland många, och även till en specifik del av cellen, sa Levchenko.

Under loppet av denna studie, teamet fastställde också att den önskade effekten som genererades av den nanotrådslevererade TNF-alfa liknade den som upplevs av en cell i en levande organism.

Teammedlemmarna föreställer sig många möjligheter för denna metod för subcellulär molekylleverans.

"Till exempel, det finns många andra sätt att utlösa frisättningen av molekylen från ledningarna:fotofrisättning, kemisk frisättning, temperatursläpp. Vidare, man kan fästa många molekyler till nanotrådarna samtidigt, " sa Levchenko. Han tillade att nanotrådarna kan göras mycket mindre, men sa att för denna studie gjordes ledningarna tillräckligt stora för att se med optisk mikroskopi.

I sista hand, Levchenko ser att nanotrådarna blir ett användbart verktyg för grundforskning.

"Med dessa ledningar, vi försöker härma hur celler pratar med varandra, " sa han. "De kan vara ett underbart verktyg som kan användas i grundläggande eller tillämpad forskning." Ansökningar om läkemedelsleverans kan vara mycket längre bort.

Levchenko sa, "Om ledningarna behåller sin negativa laddning, elektriska fält kan användas för att manipulera och manövrera deras position i den levande vävnaden."