En särskild klass av små guldpartiklar kan lätt glida genom cellmembran, vilket gör dem till bra kandidater för att leverera läkemedel direkt till målceller.

En ny studie från MIT-materialforskare avslöjar att dessa nanopartiklar kommer in i celler genom att dra nytta av en väg som normalt används vid vesikel-vesikelfusion, en avgörande process som möjliggör signalöverföring mellan neuroner. I 21 juli numret av Naturkommunikation , forskarna beskriver i detalj den mekanism genom vilken dessa nanopartiklar kan smälta ihop med ett membran.

Resultaten tyder på möjliga strategier för att designa nanopartiklar - gjorda av guld eller andra material - som kan komma in i cellerna ännu lättare.

"Vi har identifierat en typ av mekanism som kan vara vanligare än vad som för närvarande är känt, "säger Reid Van Lehn, en MIT -doktorand i materialvetenskap och teknik och en av tidningens huvudförfattare. "Genom att identifiera denna väg för första gången föreslår det inte bara hur man konstruerar just denna klass av nanopartiklar, men att denna väg också kan vara aktiv i andra system. "

Tidningens andra huvudförfattare är Maria Ricci från École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) i Schweiz. Forskargruppen, ledd av Alfredo Alexander-Katz, docent i materialvetenskap och teknik, och Francesco Stellacci från EPFL, inkluderade också forskare från Carlos Besta Institute of Neurology i Italien och Durham University i Storbritannien.

De flesta nanopartiklar kommer in i celler genom endocytos, en process som fångar upp partiklarna i intracellulära fack, som kan skada cellmembranet och få cellinnehåll att läcka ut. Dock, 2008, Stellacci, vem var då på MIT, och Darrell Irvine, professor i materialvetenskap och teknik och i biologisk teknik, fann att en särskild klass av guldnanopartiklar belagda med en blandning av molekyler kunde komma in i celler utan några störningar.

"Varför detta hände, eller hur detta hände, var ett fullständigt mysterium, Säger Van Lehn.

Förra året, Alexander-Katz, Van Lehn, Stellacci, och andra upptäckte att partiklarna på något sätt smälter samman med cellmembran och absorberas i cellerna. I deras nya studie, de skapade detaljerade atomistiska simuleringar för att modellera hur detta händer, och utförde experiment som bekräftade modellens förutsägelser.

Smyginträde

Guldnanopartiklar som används för läkemedelsleverans är vanligtvis belagda med ett tunt lager av molekyler som hjälper till att justera deras kemiska egenskaper. Några av dessa molekyler, eller ligander, är negativt laddade och hydrofila, medan resten är hydrofoba. Forskarna fann att partiklarnas förmåga att komma in i celler beror på interaktioner mellan hydrofoba ligander och lipider som finns i cellmembranet.

Cellmembran består av ett dubbelskikt av fosfolipidmolekyler, som har hydrofoba lipidsvansar och hydrofila huvuden. Lipidsvansarna vetter mot varandra, medan de hydrofila huvuden vetter ut.

I deras datasimuleringar, forskarna skapade först vad de kallar ett "perfekt tvåskikt, "där alla lipidsvansarna håller sig på plats i membranet. Under dessa förhållanden, forskarna fann att guldnanopartiklarna inte kunde smälta ihop med cellmembranet.

Dock, om modellmembranet innehåller en "defekt" - en öppning genom vilken lipidsvansar kan glida ut - börjar nanopartiklar komma in i membranet. När dessa lipidutskott uppstår, lipiderna och partiklarna fastnar vid varandra eftersom de båda är hydrofoba, och partiklarna uppslukas av membranet utan att skada det.

I riktiga cellmembran, dessa utskott sker slumpmässigt, särskilt nära platser där proteiner är inbäddade i membranet. De förekommer också oftare i krökta delar av membranet, eftersom det är svårare för de hydrofila huvuden att helt täcka ett krökt område än ett plant, lämnar luckor för lipidsvansarna att sticka ut.

"Det är ett packningsproblem, "Säger Alexander-Katz." Det finns öppet utrymme där svansar kan komma ut, och det kommer att bli vattenkontakt. Det gör det bara 100 gånger mer troligt att ett av dessa utsprång kommer ut i mycket krökta områden i membranet. "

Efterliknar naturen

Detta fenomen verkar efterlikna en process som sker naturligt i celler - sammansmältning av blåsor med cellmembranet. Vesiklar är små sfärer av membranliknande material som transporterar last som neurotransmittorer eller hormoner.

Likheten mellan absorption av vesiklar och nanopartikelinträde tyder på att celler där mycket vesikelfusion naturligt sker kan vara bra mål för läkemedelsleverans av guldnanopartiklar. Forskarna planerar att ytterligare analysera hur membranens sammansättning och de proteiner som är inbäddade i dem påverkar absorptionsprocessen i olika celltyper. "Vi vill verkligen förstå alla begränsningar och avgöra hur vi bäst kan designa nanopartiklar för att rikta in sig på specifika celltyper, eller regioner i en cell, Säger Van Lehn.

"Man kan använda resultaten från detta dokument för att tänka på hur man kan utnyttja dessa fynd till förbättrade nanopartikelförsörjningsfordon - till exempel kanske nya ytligander för nanopartiklar kan konstrueras för att ha förbättrad affinitet för både ytgrupper och lipidsvansar, "säger Catherine Murphy, en professor i kemi vid University of Illinois i Urbana-Champaign som inte var inblandad i studien.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.