Fluorescerande järnoxid-nanopartiklar lyser i endotelceller i ett experiment vid Rice University. Till vänster, nanopartiklarna är jämnt fördelade mellan mikrotubuli som hjälper till att ge cellerna deras form. Till höger, efter att ett magnetfält har applicerats, nanopartiklarna dras mot ena änden av cellerna och ändrar deras form. Forskarna tror att detta erbjuder ett sätt att göra endotelbarriären "läckande" nog för att läkemedelsmolekyler ska kunna passera genom att nå vävnader. Kredit:Laboratory of Biomolecular Engineering och Nanomedicine/Rice University
Endotelcellerna som leder blodkärlen packas tätt för att hålla blodet inuti och flödar, men forskare vid Rice University och deras kollegor har upptäckt att det kan vara möjligt att selektivt öppna luckor i dessa hinder för att släppa igenom stora molekyler - och sedan stänga dem igen.
Risbioingenjör Gang Bao och medarbetare vid Emory University och Georgia Institute of Technology rapporterade att de använde magneter för att hjälpa järnoxid-nanopartiklar att invadera endotelceller både i labbet och in vivo. Sedan använder de samma magneter för att göra fartyg tillfälligt "läckande".
Denna permeabilitet skulle göra det möjligt för läkemedel med stor molekyl att nå målvävnader, Sa Bao. Starka magneter kan kanske leda nanopartikelinfunderade stamceller eller läkemedelsfyllda nanopartiklar själva till riktade områden, även i djupa vävnader som organ som nuvarande terapier inte kan nå, han sa.
Studien visas idag i Naturkommunikation .
"För många sjukdomar, systemisk tillförsel genom blodströmmen är det enda sättet att leverera molekyler till platsen, "Sa Bao." Små molekyler kan tränga igenom blodkärlet och komma in i de sjuka cellerna, men stora molekyler som proteiner eller läkemedelsfyllda nanopartiklar kan inte passera endotelet effektivt om det inte läcker. "
Blodkärl i cancertumörer har vanligtvis hål i endotelbarriären, men de stänger inte på begäran som Bao och hans team hoppas få dem att göra.
Under påverkan av en magnet, nanopartiklar anpassar aktinfilament i endotelceller. Forskare från Rice University misstänker att en sådan omställning kan störa korsningarna mellan endotelceller och öka kärlgenomsläppligheten. Kredit:Laboratory of Biomolecular Engineering och Nanomedicine/Rice University
Tillsammans med läkemedelsmolekyler, Bao vill använda magneter för att leverera nanopartikelinfunderade stamceller till skadade vävnader. "Om du inte kan injicera stamceller direkt, låt oss säga in i hjärtat, du måste göra systemisk leverans och du har ingen kontroll över vart de tar vägen.
"Vår första idé var att leverera magnetiska nanopartiklar till stamceller och sedan använda en magnet för att locka stamcellerna till en viss plats, "sa han." Genom att göra det, vi upptäckte också att genom att applicera ett magnetfält, vi kan generera förändringar i cellens skelettstruktur när det gäller aktinfilamentstrukturerna. "
Dessa strukturella element ger cellerna sin form och hjälper till att hålla närliggande celler tätt komprimerade. "Vi trodde att om vi kunde ändra cell-cellkorsningen genom att använda magnetisk kraft, det fanns en möjlighet att vi kunde konstruera kärlets läckage, "Sa Bao.
Labbet skapade en mikrofluidisk flödeskammare som efterliknade kärlsystemet och kantade rören med riktiga endotelceller. Experiment bevisade deras hypotes:När ett magnetfält applicerades på de nanopartikelinfunderade cellerna, luckorna öppnades. Att slappna av kraften gjorde att de flesta luckorna kunde stängas efter 12 timmar.
Mikroskopiska bilder visade att fluorescerande märkta nanopartiklar var jämnt fördelade inuti endotelkanalen när ett magnetfält inte applicerades. När det var, partiklarna omfördelade, och kraften de använde förvrängde cytoskelet.
Forskare från Rice University förbereder ett parti järnoxid-nanopartiklar för experiment. De har upptäckt partiklarna, tillsammans med starka magneter, kan användas för att öppna luckor för läkemedelsleverans mellan endotelcellerna som leder blodkärl. Från vänster, Gang Bao, Sheng Tong och Linlin Zhang. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
I vissa bilder, aktinfilament som hjälper till att ge en cell dess form observerades i linje med kraften. "Det är en ganska dramatisk förändring, "Sa Bao." När du väl har använt kraften, givet tillräckligt med tid, cellernas struktur förändras. Det leder till att cell-cellkorsningen öppnas. "
Bao sa att den magnetiska kraften också genererar en biologisk signal som förändrar cytoskeletstrukturen. "Det bidrar också till läckage, "sa han." Vi försöker fortfarande förstå vilken typ av signal vi ger till celler och hur de enskilda cellerna svarar. "
Även om det finns metoder för att underlätta två typer av transport över endotelbarriären - paracellulär (mellan celler) och transcellulära (genom celler) - har ingen av dem förmågan att rikta in sig på specifika delar av kroppen. Bao sa att hans teams tillvägagångssätt erbjuder en lösning.
Han sa att hans grupp är en del av ett pågående samarbetsprojekt om knäreparation med laboratoriet av Dr. Johnny Huard, professor i ortopedisk kirurgi vid University of Texas Health Science Center i Houston. "Problemet är hur man samlar terapeutiska stamceller runt knäet och håller dem där, "Sa Bao." Efter att ha injicerat de nanopartikelinfunderade cellerna, vi vill sätta en rad magneter runt knäet för att locka dem.
"Men om du vill behandla hjärtat eller levern, du behöver en ganska stor enhet för att ha det nödvändiga magnetfältet, sa han. Det har vi inte ännu. Att driva detta till en klinisk miljö kommer att bli en utmaning. "
