Med hjälp av kemiska "nanoblaster" som stansar små hål i cellens skyddsmembran, forskare har visat en ny teknik för att få terapeutiska små molekyler, proteiner och DNA direkt in i levande celler.

Kolnanopartiklar aktiverade av laserstrålar utlöser de små sprängningarna, som öppnar hål i cellmembranen precis tillräckligt länge för att släppa in terapeutiska medel som finns i den omgivande vätskan. Genom att justera laserexponeringen, forskarna administrerade en markörförening med små molekyler till 90 procent av målcellerna - samtidigt som de höll mer än 90 procent av cellerna vid liv.

Forskningen sponsrades av National Institutes of Health och Institute of Paper Science and Technology vid Georgia Tech. Det kommer att rapporteras i augustinumret av tidskriften Naturens nanoteknik .

"Denna teknik skulle kunna göra det möjligt för oss att leverera en mängd olika terapier som nu inte lätt kan komma in i cellerna, sa Mark Prausnitz, professor vid School of Chemical and Biomolecular Engineering vid Georgia Institute of Technology. "En av de viktigaste användningsområdena för denna teknik kan vara genbaserade terapier, som erbjuder stora löften inom medicin, men vars framsteg har begränsats av svårigheten att få in DNA och RNA i celler."

Arbetet tros vara det första som använder aktivering av reaktiva kolnanopartiklar med laser för medicinska tillämpningar. Ytterligare forskning och kliniska prövningar kommer att behövas innan tekniken kan användas på människor.

Forskare har försökt i decennier att driva DNA och RNA mer effektivt in i celler med en mängd olika metoder, inklusive användning av virus för att överföra genetiskt material till celler, belägga DNA och RNA med kemiska medel eller använda elektriska fält och ultraljud för att öppna cellmembran. Dock, dessa tidigare metoder har generellt lidit av låg effektivitet eller säkerhetsproblem.

Med sin nya teknik, som inspirerades av tidigare arbete med den så kallade "fotoakustiska effekten, " Prausnitz och medarbetare Prerona Chakravarty, Wei Qian och Mostafa El-Sayed hoppas kunna lokalisera appliceringen av energi till cellmembran bättre, skapa ett säkrare och mer effektivt tillvägagångssätt för intracellulär läkemedelsleverans.

Deras teknik börjar med att introducera partiklar av kimrök som mäter 25 nanometer - en miljondels tum - i diameter i vätskan som omger cellerna i vilka de terapeutiska medlen ska införas. Bursts av nära-infrarött ljus från en femotosekundlaser appliceras sedan på vätskan med en hastighet av 90 miljoner pulser per sekund. Kolnanopartiklarna absorberar ljuset, vilket gör dem varma. De heta partiklarna värmer sedan den omgivande vätskan för att göra ånga. Ångan reagerar med kolnanopartiklarna och bildar väte och kolmonoxid.

De två gaserna bildar en bubbla som växer när lasern ger energi. Bubblan kollapsar plötsligt när lasern stängs av, skapa en chockvåg som slår hål i membranen i närliggande celler. Öppningarna tillåter terapeutiska medel från den omgivande vätskan att komma in i cellerna. Hålen stängs snabbt så att cellen kan överleva.

Forskarna har visat att de kan få den lilla molekylen calcein, bovint serumalbuminprotein och plasmid-DNA genom cellmembranen hos mänskliga prostatacancerceller och råttgliosarkomceller med denna teknik. Calceinupptag sågs i 90 procent av cellerna vid lasernivåer som lämnade mer än 90 procent av cellerna vid liv.

"Vi kunde få nästan alla celler att ta upp dessa molekyler som normalt inte skulle komma in i cellerna, och nästan alla celler förblev vid liv, sade Prerona Chakravarty, studiens huvudförfattare. "Vårt laseraktiverade kolnanopartikelsystem möjliggör kontrollerade bubbelimplosioner som kan störa cellmembranen precis tillräckligt för att få in molekylerna utan att orsaka bestående skada."

För att bedöma hur länge hålen i cellmembranet förblev öppna, forskarna lämnade den simulerade terapin ur vätskan när cellerna exponerades för laserljus, tillsatte sedan agenterna en sekund efter att lasern stängts av. De såg nästan inget upptag av molekylerna, vilket tyder på att cellmembranen snabbt återförseglade sig själva.

För att bekräfta att kol-ångreaktionen var en kritisk faktor som driver nanoblasterna, forskarna bytte ut guldnanopartiklar med kolnanopartiklar innan de exponerades för laserljus. Eftersom de saknade det kol som behövs för reaktion, guldnanopartiklarna producerade lite upptag av molekylerna, Prausnitz noterade.

Liknande, forskarna ersatte kolnanopartiklarna med kolnanorör, och mätte även lite upptag, vilket de förklarade genom att notera att nanorören är mindre reaktiva än kimrökspartiklarna.

Experiment visade vidare att DNA som introducerats i celler genom den laseraktiverade tekniken förblev funktionellt och kapabelt att driva proteinuttryck. När plasmid -DNA som kodade för luciferasuttryck infördes i cancercellerna, produktionen av luciferas ökade 17 gånger.

För framtiden, forskarna planerar att studera användningen av en billigare nanosekundlaser för att ersätta det ultrasnabba femtosekundsinstrumentet som används i forskningen. De planerar också att optimera kolnanopartiklarna så att nästan alla förbrukas under exponering för laserljus. Kvarvarande kolnanopartiklar i kroppen bör inte ge några skadliga effekter, även om kroppen kanske inte kan eliminera dem, Prausnitz noterade.

"Detta är den första studien som visar bevis på princip för laseraktivering av reaktiva kolnanopartiklar för läkemedels- och genleverans, " sa han. "Det finns en avsevärd väg framför detta innan detta kan tas in i medicin, men vi är optimistiska att detta tillvägagångssätt i slutändan kan ge ett nytt alternativ för att leverera terapeutiska medel till celler på ett säkert och effektivt sätt."