För första gången, forskare har hittat ett sätt att injicera en exakt dos av ett genterapimedel direkt i en enda levande cell utan nål.
Tekniken använder elektricitet för att "skjuta" bitar av terapeutiska biomolekyler genom en liten kanal och in i en cell på en bråkdel av en sekund.
L. James Lee och hans kollegor vid Ohio State University beskriver tekniken i tidningen online Naturnanoteknik , där de rapporterar att de framgångsrikt har infört specifika doser av en anti-cancergen i enskilda leukemiceller för att döda dem.
De har kallat metoden "nanokanalelektroporering, "eller NEP.
"NEP tillåter oss att undersöka hur droger och andra biomolekyler påverkar cellbiologi och genetiska vägar på en nivå som inte kan uppnås med någon befintlig teknik, "sa Lee, som är Helen C. Kurtz professor i kemisk och biomolekylär teknik och chef för NSF Nanoscale Science and Engineering Center for Affordable Nanoengineering of Polymeric Biomedical Devices i Ohio State.
Det har länge funnits sätt att sätta in slumpmässiga mängder biomaterial i stora mängder celler för genterapi. Och fina nålar kan injicera specifika mängder material i stora celler. Men de flesta mänskliga celler är för små för att även de minsta nålarna ska kunna användas.
NEP löser problemet genom att stänga av en cell inuti en elektronisk enhet med en behållare av terapeutiskt medel i närheten. Elektriska pulser driver medlet ut ur behållaren och genom en nanometer- (miljarddels meter) skalkanal i enheten, genom cellväggen, och in i cellen. Forskare kontrollerar dosen genom att justera antalet pulser och kanalens bredd.
I Naturnanoteknik , de förklarar hur de konstruerade prototypenheter med hjälp av polymerstämplar. De använde individuella DNA-strängar som mallar för kanalerna i nanometerstorlek.
Lee uppfann tekniken för att lossa DNA -strängar och forma dem till exakta mönster så att de kunde fungera som trådar i biologiskt baserad elektronik och medicinsk utrustning. Men för denna studie, guldbelagda DNA-strängar sträcktes mellan två reservoarer och etsades sedan bort, för att lämna efter sig en nanokanal med exakta dimensioner som förbinder reservoarerna i den polymera enheten.
Elektroder i kanalerna gör enheten till en liten krets, och elektriska pulser på några hundra volt färdas från reservoaren med det terapeutiska medlet genom nanokanalen och in i en andra reservoar med cellen. Detta skapar ett starkt elektriskt fält vid nano-kanalens utlopp, som interagerar med cellens naturliga elektriska laddning för att tvinga upp ett hål i cellmembranet - ett tillräckligt stort för att leverera medlet, men tillräckligt liten för att inte döda cellen.
I tester, de kunde sätta in medel i celler på så lite som några millisekunder, eller tusendelar av en sekund.
Först, de märkte bitar av syntetiskt DNA med fluorescerande molekyler, och använde NEP för att sätta in dem i humana immunceller. Efter en enda puls på fem millisekunder, de började se fläckar av fluorescens utspridda i cellerna. De testade olika pulslängder upp till 60 millisekunder - vilket fyllde cellerna med fluorescens.
För att testa om NEP kan leverera aktiva terapeutiska medel, de satte in bitar av terapeutiskt RNA i leukemiceller. Pulser så korta som 5 millisekunder levererade tillräckligt med RNA för att döda några av cellerna. Längre pulser - närmade sig 10 millisekunder - dödade nästan alla. De satte också in något ofarligt RNA i andra leukemiceller för jämförelse, och dessa celler levde.
Just nu, processen är bäst lämpad för laboratorieforskning, Lee sa, eftersom det bara fungerar på en cell eller flera celler åt gången. Men han och hans team arbetar med sätt att injicera många celler samtidigt. De utvecklar för närvarande ett mekaniskt cell-laddningssystem som skulle injicera upp till 100, 000 celler på en gång, vilket potentiellt skulle möjliggöra klinisk diagnostik och behandlingar.
"Vi hoppas att NEP så småningom kan bli ett verktyg för tidig upptäckt och behandling av cancer - till exempel infoga exakta mängder gener eller proteiner i stamceller eller immunceller för att styra deras differentiering och förändringar - utan de säkerhetsproblem som orsakas av överdosering, och sedan placera cellerna tillbaka i kroppen för cellbaserad terapi, "Tillade Lee.
Han ser potentiella tillämpningar för att diagnostisera och behandla leukemi, lungcancer, och andra tumörer. Han arbetar med forskare vid Ohio State Comprehensive Cancer Center för att utforska dessa möjligheter.
