Zellmembranen sind Barrieren, die die zelluläre Homöostase und die intrazelluläre Abgabe von biologisch funktionellen Molekülen, einschließlich Peptiden, Proteinen und Nukleinsäuren, aufrechterhalten, um zelluläre Funktionen zu manipulieren. Herkömmliche intrazelluläre Aufnahmeprozesse erfordern hohe Konzentrationen an biofunktionellen Molekülen mit geringer Permeabilität, um die Zellmembran zu passieren.
Dies führt zu einer geringen Arzneimittelaktivität, da die Wahrscheinlichkeit gering ist, dass die biofunktionellen Moleküle in die Zielzellen und ihre Organellen eindringen. Darüber hinaus schädigen viele Medikamente aufgrund ihrer schlechten Selektivität sowohl gesunde Zellen als auch die Zellen, auf die sie abzielen sollen, was die Entwicklung von Technologien erforderlich macht, die die Selektivität von Medikamenten erhöhen können, damit sie mit hoher Effizienz in die Zielzellen gelangen.
Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Ikuhiko Nakase (stellvertretender Direktor) und Professor Takuya Iida (Direktor) des Forschungsinstituts für lichtinduzierte Beschleunigungssysteme (RILACS) an der Osaka Metropolitan University nutzte lichtinduzierte Konvektion mit Hilfe von Superstrahlung, um eine verbesserte Durchlässigkeit zu erreichen der Zellmembran, indem biofunktionelle Moleküle, einschließlich zellpenetrierende Peptide (CPPs), lokal konzentriert werden. Das lichtinduzierte System war in der Lage, selbst bei so niedrigen Konzentrationen wie 1 pmol/L eine wirksame Arzneimittelabgabe zu ermöglichen.
Um eine photothermische Anordnung um lebende Zellen in einem Zellkulturmedium zu induzieren, wurde ein Infrarotlaser mit einem 10x-Objektiv für 100 Sekunden auf den Boden einer Glasschale fokussiert, die dicht mit Gold-Nanopartikeln beschichtet war; Die Wellenlänge des Lasers wird von lebenden Organismen kaum absorbiert und verursacht keine Schäden, kann jedoch Wärme und einen photothermischen Fluss erzeugen. Die Moleküle wurden in der Nähe einer durch die Laserwärme erzeugten Blase konzentriert, die sich ungefähr 100 um von den Zielzellen auf dem Substrat entfernt befand.
Mit diesem System fand die Gruppe heraus, dass um den Laserbestrahlungspunkt mitochondriale Strukturen in der Nähe der photoinduzierten Blasen selbst bei einer Konzentration von 0,1 % derjenigen herkömmlicher Methoden effizient gefärbt wurden. Darüber hinaus gelang es der lichtinduzierten Beschleunigung, Apoptose unter Verwendung von CPPs in einer Konzentration von 1 % derjenigen herkömmlicher Methoden zu induzieren, was zu einer äußerst effizienten und selektiven zellulären Aufnahme führte, die zur Zerstörung von gezielten Krebszellen führte.
„Die Entwicklung von Technologien, die biofunktionelle Moleküle selektiv in Zielzellen einbringen können, ist wichtig, nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die klinische Praxis. Wir erwarten, dass diese Ergebnisse die Konzentration von Arzneimitteln, die für die Durchführung von Zelltests benötigt werden, erheblich reduzieren werden. Denn neue Arzneimittel sind oft teuer Herstellung, dies wird die Kosten senken – und die Arzneimittelforschung beschleunigen. Darüber hinaus werden wir diese Ergebnisse auf medizinische Technologien anwenden, die zur Krebsdiagnose und -behandlung beitragen können, und danach streben, diese Technologie in der menschlichen Gesundheitsversorgung nutzbar zu machen“, schlossen Professor Nakase und Professor Iida in eine gemeinsame Erklärung.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Nano-Buchstaben.
Mehr Informationen:
Ikuhiko Nakase et al., Lichtinduzierte Kondensation biofunktioneller Moleküle um zielgerichtete lebende Zellen herum zur Beschleunigung der zytosolischen Abgabe, Nano-Buchstaben (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c02437
Bereitgestellt von der Osaka Metropolitan University