För första gången, ett team av kemister och ingenjörer vid Penn State University har placerat små syntetmotorer inuti levande mänskliga celler, drev dem med ultraljudsvågor och styrde dem magnetiskt. Det är inte precis "Fantastisk resa, "men det är nära. Nanomotorerna, som är raketformade metallpartiklar, flytta inuti cellerna, snurrar och slår mot cellmembranet.

"När dessa nanomotorer rör sig och stöter på strukturer inuti cellerna, de levande cellerna visar inre mekaniska svar som ingen har sett förut, "sa Tom Mallouk, Evan Pugh professor i materialkemi och fysik vid Penn State. "Denna forskning är en levande demonstration av att det kan vara möjligt att använda syntetiska nanomotorer för att studera cellbiologi på nya sätt. Vi kan kanske använda nanomotorer för att behandla cancer och andra sjukdomar genom att mekaniskt manipulera celler inifrån. Nanomotorer kan utföra intracellulär kirurgi och leverera läkemedel noninvasivt till levande vävnader. "

Forskarnas resultat publiceras i Angewandte Chemie International Edition den 10 februari 2014. Förutom Mallouk, medförfattare inkluderar Penn State-forskare Wei Wang, Sixing Li, Suzanne Ahmed, och Tony Jun Huang, liksom Lamar Mair från Weinberg Medical Physics i Maryland U.S.A.

Ända tills nu, Mallouk sa, nanomotorer har studerats endast "in vitro" i en laboratorieapparat, inte i levande mänskliga celler. Kemiskt drivna nanomotorer utvecklades först för tio år sedan i Penn State av ett team som inkluderade kemisten Ayusman Sen och fysikern Vincent Crespi, förutom Mallouk. "Våra första generationens motorer krävde giftiga bränslen och de rörde sig inte i biologisk vätska, så vi kunde inte studera dem i mänskliga celler, "Mallouk sa." Den begränsningen var ett allvarligt problem. "När Mallouk och den franske fysikern Mauricio Hoyos upptäckte att nanomotorer kunde drivas av ultraljudsvågor, dörren var öppen för att studera motorerna i levande system.

För deras experiment, laget använder HeLa -celler, en odödlig rad mänskliga livmoderhalscancerceller som vanligtvis används i forskningsstudier. Dessa celler intar nanomotorerna, som sedan rör sig runt i cellvävnaden, drivs av ultraljudsvågor. Vid låg ultraljudseffekt, Mallouk förklarade, nanomotorerna har liten effekt på cellerna. Men när kraften ökar, nanomotorerna aktiveras, röra sig och stöta på organeller - strukturer i en cell som utför specifika funktioner. Nanomotorerna kan fungera som äggslagare för att väsentligen homogenisera cellens innehåll, eller så kan de fungera som slående baggar för att faktiskt punktera cellmembranet.

Medan ultraljudspulser styr om nanomotorerna snurrar runt eller om de går framåt, forskarna kan styra motorerna ännu mer genom att styra dem, med hjälp av magnetiska krafter. Mallouk och hans kollegor fann också att nanomotorerna kan röra sig autonomt - oberoende av varandra - en förmåga som är viktig för framtida applikationer. "Autonom rörelse kan hjälpa nanomotorer att selektivt förstöra cellerna som uppslukar dem, "Sade Mallouk." Om du vill att dessa motorer ska söka efter och förstöra cancerceller, till exempel, det är bättre att få dem att röra sig självständigt. Du vill inte att en hel massa av dem ska gå åt ett håll. "

Nanomotors förmåga att påverka levande celler har lovande för medicin, Sa Mallouk. "En av våra drömtillämpningar är läkemedlet Fantastic Voyage-stil, där nanomotorer skulle kryssa runt inuti kroppen, kommunicera med varandra och utföra olika typer av diagnoser och terapi. Det finns många applikationer för att kontrollera partiklar i denna lilla skala, och att förstå hur det fungerar är det som driver oss. "