Förmågan att leverera last som läkemedel eller DNA till celler är avgörande för biologisk forskning och sjukdomsterapi, men cellmembran är mycket bra på att försvara sitt territorium. Forskare har utvecklat olika metoder för att lura eller tvinga öppna cellmembranet, men dessa metoder är begränsade i vilken typ av last de kan leverera och är inte särskilt effektiva.

Nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat en ny metod som använder guldmikrostrukturer för att leverera en mängd olika molekyler till celler med hög effektivitet och utan bestående skada. Forskningen är publicerad i ACS Nano .

"Att effektivt kunna leverera stora och varierande laster direkt in i celler kommer att förvandla biomedicinsk forskning, sa Nabiha Salayen, en doktorand i Mazur Lab vid SEAS och första författare till uppsatsen. "Dock, inget befintligt enskilt leveranssystem kan göra allt du behöver göra på en gång. Intracellulära leveranssystem måste vara mycket effektiva, skalbar, och kostnadseffektiv samtidigt som den kan transportera olika laster och leverera den till specifika celler på en yta utan skador. Det är en riktigt stor utmaning."

I tidigare forskning, Saklayen och hennes medarbetare visade att guld, pyramidformade mikrostrukturer är mycket bra på att fokusera laserenergi till elektromagnetiska hotspots. I denna forskning, teamet använde en tillverkningsmetod som kallas mallstrippning för att göra ytor – ungefär lika stora som en fjärdedel – med 10 miljoner av dessa små pyramider.

"Det vackra med den här tillverkningsprocessen är hur enkel den är, sa Marina Madrid, medförfattare till uppsatsen och doktorand i Mazur Lab. "Mallstripping gör att du kan återanvända kiselmallar på obestämd tid. Det tar mindre än en minut att göra varje substrat, och varje substrat kommer ut perfekt enhetligt. Det händer inte så ofta inom nanotillverkning."

Teamet odlade HeLa-cancerceller direkt ovanpå pyramiderna och omgav cellerna med en lösning som innehöll molekylär last.

Med hjälp av nanosekundlaserpulser, teamet värmde upp pyramiderna tills hotspots vid spetsarna nådde en temperatur på cirka 300 grader Celsius. Denna mycket lokaliserade uppvärmning – som inte påverkade cellerna – gjorde att bubblor bildades precis vid spetsen av varje pyramid. Dessa bubblor trängde sig försiktigt in i cellmembranet, öppnar korta porer i cellen och låter de omgivande molekylerna diffundera in i cellen.

"Vi upptäckte att om vi gjorde dessa porer mycket snabbt, cellerna skulle läka sig själva och vi kunde hålla dem vid liv, frisk och delande i många dagar, Salayen sa.

Varje HeLa-cancercell satt ovanpå cirka 50 pyramider, vilket betyder att forskarna kunde göra cirka 50 små porer i varje cell. Teamet kunde kontrollera storleken på bubblorna genom att kontrollera laserparametrarna och kunde kontrollera vilken sida av cellen som skulle penetrera.

Molekylerna som levererades in i cellen var ungefär lika stora som kliniskt relevanta laster, inklusive proteiner och antikroppar.

Nästa, teamet planerar att testa metoderna på olika celltyper, inklusive blodkroppar, stamceller och T-celler. Kliniskt, denna metod skulle kunna användas i ex vivo-terapier, där ohälsosamma celler tas ut ur kroppen, given last som droger eller DNA, och återinförs i kroppen.

"Det här arbetet är verkligen spännande eftersom det finns så många olika parametrar som vi skulle kunna optimera för att tillåta den här metoden att fungera över många olika celltyper och laster, " sa Saklayen. "Det är en mycket mångsidig plattform."

Harvards Office of Technology Development har lämnat in patentansökningar och överväger kommersialiseringsmöjligheter.

"Det är fantastiskt att se hur fysikens verktyg kan avsevärt främja andra områden, särskilt när det kan möjliggöra nya terapier för tidigare svårbehandlade sjukdomar, sa Eric Mazur, Balkanski-professorn i fysik och tillämpad fysik och senior författare till artikeln.