Bildrepresentation av (a) celler odlade ovanpå titanoxidnanorör och (b) massivt parallell fotoporering med hjälp av interaktionen mellan en rad nanorör och en pulslaser. Kredit:Toyohashi University of Technology.
Ett forskarlag vid institutionen för maskinteknik vid Toyohashi University of Technology utvecklade en laserassisterad fotoporeringsmetod med nanosekundspuls med hjälp av titanoxid-nanorör (TNT) för mycket effektiv och låg kostnad intracellulär leverans. Resultaten av deras forskning kommer att publiceras i Tillämpad ytvetenskap den 30 mars 2021, 148815.
Potentialen att leverera externa molekyler till levande celler med hög cellviabilitet och transfektionsförmåga är av stort intresse inom cellbiologi för diagnostik, drogleverans, och terapeutisk utveckling mot cellterapi och regenerativ medicin. Under många år, läkemedelstillförselsystem har avancerat för att uppnå mer kontroll över läkemedelsdosering, riktad leverans, och minskade biverkningar. Dessa tekniker kan klassificeras som virala, fysisk, eller kemiska metoder.
Bland dessa metoder, fotoporation växer fram och har blivit populärt för intracellulär leverans under de senaste åren, på grund av mindre invasivitet. I denna metod, guld nanopartiklar, som absorberar pulserande ljus, dispergeras i en lösning för att perforera cellerna, dock, materialen är dyra. Det är önskvärt att använda nanomaterial som är billigare med bibehållen hög leveranseffektivitet och cellviabilitet.
Forskargruppen designade och tillverkade en kostnadseffektiv nanorörsuppsättning för fotoporationsbaserad intracellulär leverans. TNTs bildades på titanplåt vid olika spänningar och tider med användning av elektrokemisk anodiseringsteknik. Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) avslöjade närvaron av olika titanoxidarter som TiO 2 och TixOy (TiO/Ti 2 O 3 /Ti 3 O 5 ). TNTs bildade av olika anodiseringsspänningar och tider hade olika koncentrationer av sådana oxidationsämnen tillsammans med en mindre mängd Ti-metall (Ti0). På grund av bildandet av syredefekter, nanorör har kvasimetalliska och metalliska egenskaper. Dessa egenskaper hos nanorören kan underlätta den intracellulära leveransen genom olika mekanismer efter bestrålning med en nanosekundspulslaser.
Schematisk representation av möjlig mekanism för fotoporering på titanoxidnanorör för lastleverans. Kredit:Toyohashi University of Technology.
HeLa—humana livmoderhalscancerceller odlades på TNT och en biomolekylär lösning introducerades. Efter exponering för en 532-nm pulslaser på nanorör, vi levererade framgångsrikt propidiumjodid (PI) och dextran till HeLa – mänskliga livmoderhalscancerceller med hög effektivitet och cellviabilitet.
Möjliga principer för cellmembranperforering inkluderar termiskt förmedlade nanobubblor, fotokemiskt inducerade reaktiva syrearter (ROS), värmeöverföring från nanorör till cellmembranet, och lokaliserad ytplasmonresonans med hög elektromagnetisk fältförbättring på varje nanorör. Detta leder till bildandet av kavitationsnanobubblor i varje cellmembran-nanorör-gränssnitt som snabbt kan växa, växa samman, och kollapsa för att orsaka explosioner, vilket resulterar i cellmembranperforering, vilket gör att biomolekyler kan levereras från utsidan till insidan av cellerna. "Den exakta mekanismen för den intracellulära leveransen på TNT-baserad fotoporation är fortfarande oklart. Intracellulär leverans kan ske genom kombinationen av mekanismerna, " säger L. Mohan, en forskare, vid Toyohashi University of Technology.
Moeto Nagai, teamledaren, vid Toyohashi University of Technology, anser att nanorör av titanoxid kan vara en mångsidig och billig plattform för intracellulär leverans med hjälp av pulsad laser. Denna enhets framträdande egenskaper har parallell och kontrollerad enhetlig leverans med hög effektivitet och cellviabilitet och den är potentiellt användbar för cellterapi och regenerativ medicin.
