Bioingenjörer kanske kan använda de unika mekaniska egenskaperna hos sjuka celler, såsom metastaserande cancerceller, för att hjälpa till att förbättra leveransen av läkemedelsbehandlingar till målcellerna, enligt ett team av forskare vid Penn State.

Många labb runt om i världen utvecklar nanopartikelbaserade, läkemedelstillförselsystem för att selektivt rikta in sig på tumörer. De förlitar sig på ett nyckel-och-lås-system där proteinnycklar på nanopartikelns yta klickar in i låsarna av ett starkt uttryckt protein på cancercellens yta. Cellmembranet sveper sedan runt nanopartikeln och får i sig den. Om tillräckligt med nanopartiklar och deras droglast förtärs, cancercellen kommer att dö.

Låsets och nyckelns vidhäftningskraft är det som driver nanopartikeln in i cellen, sa Sulin Zhang, professor i ingenjörsvetenskap och mekanik.

"Det är nästan universellt att när det finns en drivkraft för en process, det finns alltid en motståndskraft, "Sade Zhang." Här, drivkraften är biokemisk - protein-protein-interaktionen."

Den resistiva kraften är den mekaniska energikostnaden som krävs för att membranet ska svepa runt nanopartikeln. Tills nu, bioingenjörer övervägde bara drivkraften och designade nanopartiklar för att optimera de kemiska interaktionerna, en inriktningsstrategi som kallas "kemotargeting". Zhang anser att de också bör ta hänsyn till mekaniken hos cellerna för att designa nanopartiklar för att uppnå förbättrad inriktning, som bildar en ny inriktningsstrategi som kallas "mechanotargeting".

"Dessa två inriktningsstrategier är komplementära; du kan kombinera kemotargeting och mekanisk inriktning för att uppnå den fulla potentialen av nanopartikelbaserade diagnostiska och terapeutiska medel, "Zhang sa." Faktum är att inriktningseffektivitet kräver en känslig balans mellan drivande och resistiva krafter. Till exempel, om det finns för många nycklar på nanopartikelytan, även om dessa nycklar endast svagt interagerar med de icke -matchande låsen på normala celler, dessa svaga, interaktioner utanför målet kan fortfarande ge tillräckligt med adhesionsenergi för att nanopartiklarna ska penetrera cellmembranet och döda de friska cellerna."

Å andra sidan, om vidhäftningsenergin inte är tillräckligt hög, nanopartikeln kommer inte in i cellen.

I "Mechanotargeting:Mekanikberoende cellulärt upptag av nanopartiklar, "publicerad online före tryckning i tidningen Avancerade material , Zhang och teamet rapporterar resultaten av experiment på cancerceller som odlats på hydrogeler med varierande styvhet. På mjuka hydrogeler förblev cellerna sammanhängande och godartade och upplevde en nästan konstant stress som begränsade upptaget av nanopartiklarna. Men på styva hydrogeler blev cellerna metastaserande och antog en tredimensionell form, erbjuda mer yta för nanopartiklar att vidhäfta, och blev mindre stressad. Under detta villkor, cellerna tog upp fem gånger antalet nanopartiklar som de godartade cellerna.

"Nanopartiklarna är fluorescerande, så vi räknar antalet nanopartiklar som kommer in i cellen med fluorescensintensiteten. Vi fann att i de maligna cellerna är intensiteten fem gånger högre, ", sa Zhang. "Det bevisar att mekanotargeting fungerar."