Purdue-forskare har utarbetat ett sätt att fånga de finare detaljerna i komplexa cellprocesser genom att använda små syntetiska partiklar som kallas dendrimerer, en teknik som kan leda till mer riktad behandling av cancer.

En exakt förståelse av hur celler uppslukar små partiklar, en process som kallas endocytos, kan hjälpa forskare att förbättra läkemedelsleveransen och avslöja virusmekanismerna. Men partiklarna "äts" av celler och proteinerna som kontrollerar cellinträdesvägar är för lite för att konventionell teknik ska kunna upptäcka.

W. Andy Tao, professor i biokemi, och hans medarbetare utvecklade en metod som skickar dendrimerer in i celler för att spåra, fånga och isolera proteinerna som reglerar cellinternaliseringsprocessen, identifiera 809 proteiner involverade i cellinträdesvägar.

Teknologin, känd som Tracing Internalization and TrAfficking of Nanomaterials eller TITAN, "hjälper oss förstå hur celler internaliserar extracellulära partiklar och hur de flyttar runt dessa partiklar, " sa Tao. "Det här är användbart, värdefull information för framtiden när vi försöker störa dessa processer för att hålla skadliga saker som virus ute eller arbeta med processerna för att leverera ett användbart läkemedel."

Dendrimerer är symmetriskt grenade nanopartiklar, liknande i storlek som naturligt förekommande proteiner. Betyder "trädliknande" molekyl, en dendrimers ringa storlek och struktur gör den till en idealisk kurir för att transportera en mängd olika molekyler via dess många grenar in i en cell. En av de mest värdefulla rollerna för dendrimerer är riktad läkemedelsleverans för sjukdomar som cancer. Dendrimerer kan selektivt leverera medicin till cancerceller till skillnad från kemoterapi, som förstör både friska och cancerceller.

Tao och teamet modifierade kemiskt dendrimererna innan de skickades in i celler med en fluorescerande tagg som skulle göra dendrimererna lättare att upptäcka när de reste in i cellen; ett fotoreaktivt tvärbindare som skulle göra det möjligt för dendrimerer att fästa till proteiner under UV-strålning; och ett "handtag" med vilket forskare kunde fiska upp dendrimererna från resten av cellmaterialet.

När forskarna bestrålade cellerna, dendrimererna inuti grep alla proteiner i sin omgivning, ger en realtid, freeze-frame shot av vilka proteiner som reglerar endocytos. Teamet bestrålade cellerna med tre olika tidsintervall - 30 minuter, en timme och två timmar.

"Vi såg olika molekyler vid varje tidpunkt som berättade var dendrimeren var och genom vilka mekanismer den levererades in i cellen, " sa Tao. "Säg att du körde till Wal-Mart, men istället för att berätta för mig vilka vägar du reste, du tog foton av byggnader och landmärken vid olika tidpunkter längs vägen. Dessa bilder kommer att berätta för mig vilka vägar du tog. Det här är samma metod."

Forskarna använde masspektrometri för att isolera och identifiera hundratals proteiner involverade i endocytos, bekräftar mekanismer som många biologer tidigare hade antagit.

Att veta vilka proteiner som styr endocytos och i vilka stadier kan hjälpa forskare att förfina leveransen av nanomedicin och möjligen göra den mer mobil i celler, sa Tao.

"Vi kan extrahera mycket viktig information från TITAN, ", sa han. "Detta är en plattformsteknik som öppnar ett nytt sätt att studera många småskaliga biologiska processer i cellen."

Några av TITANs potentiella applikationer inkluderar att bestämma hur virus kommer in i och färdas in i celler, avslöjar hur cancerceller kommunicerar med varandra och hjälper till att spåra var nanopartiklar hamnar inuti cellen, en funktion som är relativt okänd.

"Mycket nanoteknik utvecklas, men vi har verkligen ingen aning om vilka säkerhets- eller toxicitetsproblem som kan vara inblandade, " Tao said. "Understanding where these nanoparticles go in the cell and if they degrade over time is important. TITAN can track how nanoparticles move in the cell and whether they end up in the nucleus - which could be a problem - or in the cell's 'garbage disposal.'"