Den intracellulära leveransen av proteiner är en viktig teknik för att avslöja de cellulära funktionerna, proteinkomplexets struktur och terapi. Konventionella leveransmetoder har dock flera begränsningar.
För att ta itu med detta har forskare från Japan utvecklat ett nytt stämpelsystem för hybrid nanorör (HyNT) som kan leverera flera proteiner med hög effektivitet och livsduglighet. Detta system representerar ett framsteg inom intracellulär proteintillförsel och erbjuder exakt injektion av terapeutiska medel i målceller.
I dagens medicinska landskap vinner precisionsmedicin och riktade terapier dragkraft för sin förmåga att skräddarsy behandlingar för individuella patienter samtidigt som biverkningar minimeras.
Konventionella metoder, såsom genöverföringstekniker, visar lovande när det gäller att leverera terapeutiska gener direkt till celler för att hantera olika sjukdomar. Dessa metoder har emellertid betydande nackdelar, vilket hindrar deras effektivitet och säkerhet.
Intracellulär proteintillförsel erbjuder ett lovande tillvägagångssätt för att utveckla säkrare, mer riktade och effektiva terapier. Genom att direkt överföra proteiner till målceller, kringgår denna metod frågor som tystnad under transkription och translation och risken för oönskade mutationer från DNA-insättning. Dessutom möjliggör intracellulär proteintillförsel exakt distribution av terapeutiska proteiner inom målceller utan att orsaka toxicitet.
En grupp forskare under ledning av professor Takeo Miyake vid Waseda University, Japan, har i samarbete med Mikawa Group vid RIKEN Institutet nu utvecklat ett hybrid nanorörstämpelsystem för intracellulär leverans av proteiner. Denna innovativa teknik möjliggör samtidig leverans av olika laster, inklusive kalceinfärgämne, laktatoxidas (LOx) enzym och ubiquitin (UQ) protein, direkt in i adhesiva celler för cancerbehandling.
En artikel som beskriver forskningen publiceras i Analytical Chemistry . Den här artikeln har skrivits av Dr. Tsutomu Mikawa, Dr. Masaomi Ikari, Dr. Hiromasa Yagi, Dr. Naoya Tochio och Dr. Takanori Kigawa från RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research, Japan och Mr. Bowen Zhang, Mr. Bingfu Liu, Mr Zhouji Wu och Mr Kazuhiro Oyama från Waseda University, Japan.
Miyake förklarar kort stämpelsystemets montering. "HyNTs syntetiserades genom PEDOT-polymerisation på Au nanorörsmembran och sattes sedan ihop med ett glasrör för att skapa en stämpel som fysiskt kan infoga HyNTs i celler."
Forskarna undersökte den terapeutiska potentialen av att leverera LOx-enzym för cancerbehandling. "Genom vårt innovativa stämpelsystem levererade vi framgångsrikt LOx till både friska mesenkymala stamceller (MSC) och cancerösa HeLa-celler. Medan MSC-celler förblev opåverkade, observerade vi betydande celldöd i HeLa-cancerceller efter LOx-behandling med livskraft som minskade med tiden.
"Våra resultat framhäver den lovande effekten av intracellulärt levererade LOx för att selektivt rikta in och döda cancerceller, samtidigt som friska celler skonas, och erbjuder en riktad terapeutisk strategi för cancerbehandling", förklarar Miyake.
Slutligen levererade teamet framgångsrikt 15 N isotopmärkta UQ-proteiner in i HeLa-celler med hjälp av HyNT-stämpelsystemet. Denna leverans möjliggjorde analys av komplexa proteinstrukturer och interaktioner inom cellerna.
Dessutom bekräftade optisk och fluorescensavbildning närvaron av levererad UQ i HeLa-celler, och kärnmagnetisk resonansspektroskopi matchade den intracellulära UQ-proteinkoncentrationen med den för en lösning innehållande 15 N-märkt UQ.
Dessa resultat visar effektiviteten av stämpelsystemet för att leverera målproteiner för efterföljande analys.
Resultaten visar den anmärkningsvärda förmågan hos HyNT-stämpelsystemet för att leverera LOx och UQ till ett stort antal vidhäftande celler, vilket krävs för tillämpningar för regenerativ medicin.
Systemet uppnådde en anmärkningsvärt hög leveranseffektivitet på 89,9 %, vilket indikerar dess effektivitet när det gäller att transportera terapeutiska proteiner in i målcellerna med precision. Dessutom framhäver cellviabilitetsgraden på 97,1 % systemets förmåga att upprätthålla hälsan och integriteten hos de behandlade cellerna under hela leveransprocessen.
HyNT-stämpelsystemet erbjuder transformativ potential vid intracellulär proteintillförsel, med tillämpningar som sträcker sig från cancerbehandling till molekylär analys. Utöver medicin sträcker sig dess mångsidighet till jordbruk och livsmedelsindustri, och lovar framsteg inom växtodling och utveckling av livsmedelsprodukter.
Med exakt cellmanipulation och effektiv leverans är HyNT-stämpelsystemet redo att revolutionera biomedicinsk forskning, klinisk praxis och olika industrier, vilket banar väg för personliga insatser och formar framtiden för modern medicin.
Mer information: Bowen Zhang et al, A Hybrid Nanotube Stamp System in Intracellular Protein Delivery for Cancer Treatment and NMR Analytical Techniques, Analytical Chemistry (2024). DOI:10.1021/acs.analchem.3c05331
Journalinformation: Analytisk kemi
Tillhandahålls av Waseda University
