Forskare kan designa den perfekta molekylen för att redigera en gen, behandla cancer eller styra utvecklingen av en stamcell, men inget av det kommer att spela någon roll i slutändan om de inte kan få in sina molekyler i de mänskliga cellerna de vill manipulera. Lösningen på det problemet, beskrivs i en studie publicerad 31 oktober i Vetenskapens framsteg , kan vara små nanostrån, små glasliknande utsprång som sticker lika små hål i cellväggarna för att leverera sin last.

Ett team ledd av Nicholas Melosh, en docent i materialvetenskap och teknik, började testa nanostrån för ungefär fem år sedan med relativt tuffa cellinjer från cancer, musceller och andra källor. Nu, Melosh och kollegor har visat att tekniken fungerar även i mänskliga celler, ett resultat som skulle kunna påskynda medicinsk och biologisk forskning och kunde en dag förbättra genterapi för sjukdomar i ögon, immunförsvar eller cancer.

"Det du ser är en enorm push för genterapi och cancerimmunterapi, sa Melosh, som också är medlem i Stanford Bio-X, Stanford ChEM-H och Wu Tsai Neurosciences Institute, men befintliga tekniker står inte inför utmaningen att leverera material till alla relevanta mänskliga celltyper, speciellt immunceller. "De är riktigt tuffa jämfört med nästan alla andra celler som vi har hanterat, " han sa.

Korsar cellmembranet

Tanken på att transportera kemikalier över cellmembranet och in i själva cellen är inte ny, men det finns ett antal problem med de metoder som forskarna hittills har förlitat sig på. I en vanlig metod, kallas elektroporation, forskare använder en elektrisk ström för att öppna upp hål i cellväggarna genom vilka molekyler, såsom DNA eller proteiner kan diffundera genom, men metoden är oprecis och kan döda många av de celler som forskare försöker arbeta med.

I en annan metod, forskare använder virus för att bära den intressanta molekylen över en cellvägg, men själva viruset medför risker. Även om det finns liknande metoder som ersätter virus med mer godartade kemikalier, de är mindre exakta och effektiva.

Så var läget tills för bara fem eller sex år sedan, när Melosh och kollegor kom på ett nytt sätt att få in molekyler i celler, baserad på Meloshs expertis inom nanomaterial. De skulle använda elektroporering, men gör det på ett mycket mer exakt sätt med nanostraws, som på grund av deras relativt långa, smal profil hjälper till att koncentrera elektriska strömmar till ett mycket litet utrymme.

Just då, de testade den tekniken på djurceller som sitter ovanpå en bädd av nanostraws. När de slog på en elektrisk ström, nanostråna öppnade sig små, porer i regelbunden storlek i cellmembranet – tillräckligt för att molekyler kan komma in, men inte tillräckligt för att göra allvarlig skada.

Den elektriska strömmen tjänade också ett annat syfte. Istället för att vänta på att molekyler slumpmässigt ska flyta genom de nyöppnade porerna, strömmen drog molekyler rakt in i cellen, öka hastigheten och precisionen i processen. Frågan vid den tiden var om tekniken skulle vara lika effektiv på de typer av mänskliga celler som läkare skulle behöva manipulera för att behandla sjukdomar.

Snabbare, Säkrare, Mer precist

I den nya tidningen, Melosh och team visade att svaret var ja - de levererade framgångsrikt molekyler till tre mänskliga celltyper såväl som hjärnceller från mus, som alla tidigare visat sig vara svåra att arbeta med.

Vad mer, metoden var mer exakt, snabbare och säkrare än andra metoder. Nanostraw-tekniken tog bara 20 sekunder att leverera molekyler till celler, jämfört med dagar för vissa metoder, och dödade mindre än tio procent av cellerna, en stor förbättring jämfört med standardelektroporering.

Melosh och hans labb arbetar nu med att testa nanostrawmetoden i några av de svåraste att arbeta med celler runt omkring, mänskliga immunceller. Om de lyckas, det kan vara ett stort steg inte bara för forskare som vill modifiera celler för forskningsändamål, men också för läkare som vill behandla cancer med immunterapi, som just nu går ut på att modifiera en persons immunceller med hjälp av virala metoder. Nanostraws skulle inte bara undvika den faran utan skulle potentiellt kunna påskynda immunterapiprocessen och minska dess kostnader, också, sa Melosh.