Det har länge varit känt att asbest skapar problem för mänskliga celler. Forskare har sett celler knivhuggna med taggiga, långa asbestfibrer, och bilden är blodig:En del av fibern sticker ut från cellen, som en darrande pil som har hittat sitt spår.

Men forskare hade inte kunnat förstå varför celler skulle vara intresserade av asbestfibrer och andra material i nanoskala som är för långa för att kunna intas helt. Nu förklarar en grupp forskare vid Brown University vad som händer. Genom molekylära simuleringar och experiment, laget rapporterar in Naturens nanoteknik att vissa nanomaterial, som kolnanorör, gå in i cellerna med spetsen först och nästan alltid i 90 graders vinkel. Orienteringen slutar med att lura cellen; genom att först ta in den rundade spetsen, cellen misstar partikeln för en sfär, snarare än en lång cylinder. När cellen inser att materialet är för långt för att kunna intas helt, det är för sent.

"Det är som om vi skulle äta en klubba som är längre än oss, " sa Huajian Gao, professor i teknik vid Brown och tidningens motsvarande författare. "Det skulle fastna."

Forskningen är viktig eftersom nanomaterial som kolnanorör har lovande inom medicin, som att fungera som fordon för att transportera droger till specifika celler eller till specifika platser i människokroppen. Om forskare till fullo kan förstå hur nanomaterial interagerar med celler, då kan de tänkas designa produkter som hjälper celler snarare än att skada dem.

"Om vi ​​helt kan förstå (nanomaterial-celldynamik), vi kan göra andra rör som kan styra hur celler interagerar med nanomaterial och inte är giftiga, " Sa Gao. "Vi vill slutligen stoppa attraktionen mellan nanotipen och cellen."

Som asbestfibrer, kommersiellt tillgängliga kolnanorör och guldnanotrådar har rundade spetsar som ofta sträcker sig från 10 till 100 nanometer i diameter. Storleken är viktig här; diametern passar väl inom cellens parametrar för vad den klarar av. Borstar upp mot nanoröret, speciella proteiner som kallas receptorer på cellen aktiveras, gruppera och böja membranväggen för att linda cellen runt nanorörsspetsen i en sekvens som författarna kallar "spetsigenkänning". När detta inträffar, nanoröret tippas till en 90-graders vinkel, vilket minskar mängden energi som behövs för att cellen ska uppsluka partikeln.

När uppslukningen - endocytos - börjar, det finns ingen återvändo. Inom några minuter, cellen känner att den inte helt kan uppsluka nanostrukturen och ringer i princip 911. "I detta skede, det är för sent, " sa Gao. "Den är i trubbel och ropar på hjälp, utlöser ett immunsvar som kan orsaka upprepad inflammation."

Teamet antog interaktionen med hjälp av grovkorniga molekylära dynamiska simuleringar och kapslade flerväggiga kolnanorör. I experiment som involverade nanorör och guld nanotrådar och musleverceller och mänskliga mesotelceller, nanomaterialen kom in i cellerna med spetsen först och i en 90-graders vinkel ungefär 90 procent av tiden, forskarna rapporterar.

"Vi trodde att röret skulle ligga på cellmembranet för att få fler bindningsställen. våra simuleringar visade att röret stadigt roterade till en hög ingångsgrad, med spetsen helt inlindad, " sa Xinghua Shi, första författare på tidningen som tog sin doktorsexamen vid Brown och är vid den kinesiska vetenskapsakademin i Peking. "Det är kontraintuitivt och beror främst på den böjande energifrigöringen när membranet lindar in röret."

Teamet skulle vilja studera om nanorör utan rundade spetsar - eller mindre stela nanomaterial som nanoband - utgör samma dilemma för celler.

"Intressant, om den rundade spetsen på ett kolnanorör skärs av (vilket betyder att röret är öppet och ihåligt), röret ligger på cellmembranet, istället för att gå in i cellen i en hög gradsvinkel, " sa Shi.