I flera år har forskare arbetat för att i grunden förstå hur nanopartiklar rör sig i hela människokroppen. En stor obesvarad fråga är hur formen på nanopartiklar påverkar deras inträde i celler. Nu har forskare upptäckt att under typiska kulturförhållanden, däggdjursceller föredrar skivformade nanopartiklar framför de som är formade som stavar.

Att förstå hur formen på nanopartiklar påverkar deras transport in i celler kan vara ett stort lyft för nanomedicinområdet genom att hjälpa forskare att utforma bättre terapier för olika sjukdomar, som att förbättra effektiviteten och minska biverkningar av cancerläkemedel.

Förutom nanopartikelgeometri, forskarna upptäckte också att olika typer av celler har olika mekanismer för att dra in nanopartiklar av olika storlekar, som tidigare var okänt. Forskargruppen använde också teoretiska modeller för att identifiera de fysiska parametrar som celler använder när de tar in nanopartiklar.

"Denna forskning identifierade några mycket nya men ändå grundläggande aspekter där celler interagerar med formen av nanopartiklar, " sa Krishnendu Roy, som nyligen gick med i Wallace H. Coulters avdelning för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University. Roy genomförde denna forskning vid University of Texas i Austin i samarbete med Profs. S.V. Sreenivasan och Li Shi, men fortsätter arbetet på Georgia Tech.

Studien var planerad att publiceras veckan den 7 oktober i den tidiga onlineupplagan av tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences . Arbetet sponsrades av National Science Foundation och National Institutes of Health.

Roys team använde ett unikt tillvägagångssätt för att göra de olika formade nanopartiklarna. Forskarna anpassade en präglingsteknik som används i halvledarindustrin och riggade den för att fungera med biologiska molekyler, sa Roy. Denna präglingsteknik, som de utvecklade vid UT-Austin, fungerar som en kakskärare men på nanoskala. Läkemedel blandas med en polymerlösning och dispenseras på en kiselskiva. Sedan trycks en form på polymer-läkemedelsblandningen med hjälp av en kvartsmall. Materialet stelnas sedan med UV-ljus. Oavsett kakskärarens mall – triangel, stång, skiva – en nanopartikel med den formen produceras. En annan nyckelfunktion hos nanopartiklarna är att de är negativt laddade och är hydrofila, attribut som gör dem relevanta för klinisk användning vid läkemedelstillförsel.

"Vi har utsökt kontroll över formerna och storlekarna, sa Roy, som är en Wallace H. Coulter Distinguished Faculty Fellow.

Hans team använde sedan partiklar av olika former och storlekar för att se hur olika typer av odlade däggdjursceller skulle svara på dem. Materialen och ytladdningarna för partiklarna var alla desamma, bara formerna skilde sig åt.

Roys team förväntade sig inte att celler skulle föredra skivor framför stavar. De fann att i cellkultur, till skillnad från sfäriska nanopartiklar, större skivor och stänger tas upp mer effektivt, ett fynd som också var oväntat. När de körde teoretiska beräkningar fann de att energin som krävs av ett cellmembran för att deformeras och lindas runt en nanopartikel är lägre för skivor än stavar och att gravitationskrafter och ytegenskaper spelar en betydande roll för nanopartiklars upptag i celler.

"Anledningen till att detta har varit outforskat är att vi inte hade verktygen för att göra dessa exakt formade nanopartiklar, " Sa Roy. "Endast under de senaste sju eller åtta åren har det funnits några få grupper som har kommit med dessa verktyg för att göra polymerpartiklar av olika storlekar och former, speciellt i nanoskala."

Celler tar in nanopartiklar genom en process som kallas endocytos, men beroende på form och celltyp, specifika upptagsvägar utlöses, upptäckte laget. Vissa celler är beroende av proteiner i sina membran som kallas caveolin; andra använder ett annat membranprotein, känd som clathrin.

Att förstå hur celler reagerar på formerna av nanopartiklar är viktigt inte bara för läkemedelsleverans, men också för att förstå toxiciteten hos nanomaterial som används i konsumentprodukter. Roys nya verk ger ytterligare en bit för att lösa detta pussel.

"Människor gör olika saker i nanoskala med olika material utan att i grunden förstå deras interaktioner med celler, " sa Roy.

I framtida arbete på Georgia Tech, Roys labb vill undersöka hur nanomaterialens former påverkar deras transport och funktion i djurmodeller. Detta kommer att ge forskare en bättre uppfattning om hur partiklarna rör sig in i tumörer, passera över slemhinneytor och distribueras till organ, och slutligen hjälp i kliniska terapier.

"99,9 procent av vårt arbete återstår att göra, vilket vi vill fortsätta göra här på Tech i samarbete med forskare på UT, " sa Roy.