Celler är mycket bra på att skydda sitt värdefulla innehåll – och som ett resultat, det är väldigt svårt att penetrera deras membranväggar för att leverera droger, näringsämnen eller biosensorer utan att skada eller förstöra cellen. Ett effektivt sätt att göra det, upptäcktes 2008, är att använda nanopartiklar av rent guld, belagd med ett tunt lager av en speciell polymer. Men ingen visste exakt varför denna kombination fungerade så bra, eller hur den tog sig igenom cellväggen.

Nu, forskare vid MIT och Ecole Polytechnique de Lausanne i Schweiz har listat ut hur processen fungerar, och gränserna för storleken på partiklar som kan användas. Deras analys finns i tidskriften Nanobokstäver , i en uppsats av doktorander Reid Van Lehn, Prabhani Atukorale, Yu-Sang Yang och Randy Carney och professorerna Alfredo Alexander-Katz, Darrell Irvine och Francesco Stellacci.

Tills nu, säger Van Lehn, tidningens huvudförfattare, "mekanismen var okänd. ... I detta arbete, vi ville förenkla processen och förstå krafterna" som gör att guldnanopartiklar kan penetrera cellväggar utan att permanent skada membranen eller spränga cellerna. Det gjorde forskarna genom en kombination av labbexperiment och datorsimuleringar.

Teamet visade att det avgörande första steget i processen är att belagda guldnanopartiklar smälter samman med lipiderna - en kategori av naturliga fetter, vaxer och vitaminer — som bildar cellväggen. Forskarna visade också en övre gräns för storleken på sådana partiklar som kan penetrera cellväggen - en gräns som beror på sammansättningen av partikelns beläggning.

Beläggningen som appliceras på guldpartiklarna består av en blandning av hydrofoba och hydrofila komponenter som bildar ett monolager - ett lager bara en molekyl tjockt - på partikelns yta. Vilken som helst av flera olika föreningar kan användas, förklarar forskarna.

"Celler tenderar att uppsluka saker på ytan, säger Alexander-Katz, en docent i materialvetenskap och teknik vid MIT, men det är "mycket ovanligt" att material passerar det membranet in i cellens inre utan att orsaka större skada. Irvine och Stellacci visade 2008 att monolagerbelagda guldnanopartiklar kunde göra det; de har sedan dess arbetat för att bättre förstå varför och hur det fungerar.

Eftersom själva nanopartiklarna är helt belagda, det faktum att de är gjorda av guld har ingen direkt effekt, förutom att guldnanopartiklar är ett enkelt förberedt modellsystem, säger forskarna. Dock, det finns vissa bevis för att guldpartiklarna har terapeutiska egenskaper, vilket kan vara en sidofördel.

Guldpartiklar är också mycket bra på att fånga röntgenstrålar - så om de kunde fås att penetrera cancerceller, och värmdes sedan upp av en stråle av röntgenstrålar, de kan förstöra dessa celler inifrån. "Så det faktum att det är guld kan vara användbart, säger Irvine, professor i materialvetenskap och ingenjörskonst och biologisk teknik och medlem av Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Betydligt nog, mekanismen som låter nanopartiklarna passera genom membranet verkar också täta öppningen så snart partikeln har passerat. "De skulle gå igenom utan att tillåta ens små molekyler att läcka igenom bakom dem, " säger Van Lehn.

Irvine säger att hans labb också är intresserade av att utnyttja denna cellpenetrerande mekanism som ett sätt att leverera läkemedel till cellens inre, genom att binda dem till ytbeläggningsmaterialet. Ett viktigt steg för att göra det till en användbar process, han säger, håller på att hitta sätt att låta nanopartikelbeläggningarna vara selektiva om vilka typer av celler de fäster vid. "Om det är alla celler, det är inte särskilt användbart, " han säger, men om beläggningarna kan riktas mot en viss celltyp som är målet för ett läkemedel, det kan vara en betydande fördel.

En annan potentiell tillämpning av detta arbete kan vara att fästa eller infoga biosenserande molekyler på eller in i vissa celler, säger Van Lehn. På det här sättet, forskare kan upptäcka eller övervaka specifika biokemiska markörer, såsom proteiner som indikerar uppkomsten eller nedgången av en sjukdom eller en metabolisk process.

I allmänhet, fastsättning till nanopartiklars ytbeläggningar kan ge en nyckel till cellernas inre för "molekyler som normalt inte skulle ha någon förmåga att ta sig igenom cellmembranet, " säger Irvine.