Rucksäcke für Zellen

Lebende Zellen, die mikroskopisch kleine Rucksäcke tragen – nanostrukturierte Polymerpflaster, die mit chemischer Fracht beladen sind – könnten eines Tages in der Lage sein, Medikamente oder Bildgebungsmittel zu erkranktem Gewebe zu transportieren. MIT-Forscher sagen, dass sie solche Rucksäcke erfolgreich konstruiert, mit magnetischen Partikeln gefüllt und an die Oberfläche von Immunzellen gebunden haben, ohne die Fähigkeit der Zellen, mit ihrer Umgebung zu interagieren, zu stören. Die Arbeit wird in einer aktuellen Ausgabe von . beschrieben Nano-Buchstaben .

Ausgerüstet: Zwei Immunzellen (grau) tragen Polymerrucksäcke (grün). Die angebrachten Rucksäcke haben zwei Schichten: eine Zelladhäsionsschicht, die sich an der Zelloberfläche festhält, und eine Nutzlastschicht, die eine chemische Ladung trägt – in diesem Fall grün fluoreszierender Farbstoff. Forscher hoffen, dass die Rucksäcke eines Tages angepasst werden können, um Medikamente oder Bildgebungsmittel an bestimmte Körperregionen zu liefern.

Insgesamt ist dies eine sehr bedeutende Arbeit, sagt Michael Seemann , einem Professor für Chemie und Biochemie an der University of California, San Diego, der nicht an der Studie beteiligt war. Es gibt viele mögliche Variationen dieses Themas für eine Vielzahl verschiedener Krankheiten. Ich denke, es könnte eine völlig neue Unterdisziplin eröffnen.



Die Rucksäcke bestehen aus drei dünnen Schichten Polymerfolie. Die untere Schicht verankert den Rucksack während des Aufbaus und Beladens an einer Oberfläche. Die mittlere Schicht trägt die Ladung des Rucksacks. Und die oberste Schicht fungiert als Haken, der an der Oberfläche einer Zelle einrastet.

Nachdem sie die Rucksäcke synthetisiert hatten, fügten die Forscher eine Lösung mit lebenden Immunzellen hinzu, die sofort von den oberen Schichten der Rucksäcke eingehakt wurden. Dann lösten sie durch Absenken der Temperatur die Auflösung der unteren Polymerschichten aus und lösten die Rucksack-tragenden Zellen von der Oberfläche.

Dieser Prozess ermöglicht eine unglaubliche Vielseitigkeit bei der Ladung der Rucksäcke, sagt Michael Rubner , Direktor des MIT Center for Materials Science and Engineering und leitender Autor des Artikels. Da die Zellen erst ganz zum Schluss hinzugefügt werden, besteht keine Gefahr bei der Verwendung giftiger Chemikalien und unter rauen Bedingungen beim Bauen und Beladen der Rucksäcke. Sie können alle harschen Chemikalien verwenden, die Sie wollen, denn die Zelle ist nicht dazu da, getötet zu werden, sagt Rubner. Erst im letzten Schritt des Prozesses heftet sich die Zelle an die Oberfläche, schnappt sich ihren Rucksack und hebt ihn ab.

Um zu testen, wie fest die Rucksäcke befestigt sind, füllten die Forscher sie mit magnetischen Nanopartikeln, luden sie auf Immunzellen und platzierten die Zellen in der Nähe eines Magneten. Unter dem Mikroskop konnte man die Zellen sehen, die in Richtung des Magneten wanderten – mitgerissen von ihren Rucksäcken, die fest verankert blieben.

Normalerweise werden Partikel, die in die Oberfläche einer Zelle eingebaut sind, in Sekundenschnelle internalisiert, sagt Mauro Ferrari , Direktor der Abteilung für Nanomedizin an der University of Texas, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Dass dieses Ding länger als Sekunden dort bleibt, sei bemerkenswert, sagt er.

Sailor warnt davor, dass die Technologie zwar vielversprechend ist, die eigentliche Herausforderung jedoch darin besteht, sie im Körper zum Laufen zu bringen. Es ist zu diesem Zeitpunkt noch nicht abzusehen, wie sich die Rucksack-tragenden Zellen bei ihrer Zirkulation im Blutkreislauf erweisen würden. Sie könnten ihre Rucksäcke verschlingen oder abwerfen oder auf engstem Raum hausen. Erste Studien deuten darauf hin, dass die Rucksäcke keine Gefahr für die Gesundheit der Immunzellen darstellen, aber es sei noch viel Arbeit nötig, bevor das System im lebenden Tier getestet werden könne, sagt Rubner.

Wenn es dann zum Tierversuch kommt, wollen die Forscher die Rucksäcke zunächst mit einer verfolgbaren Substanz beladen – vielleicht den magnetischen Nanopartikeln, die durch MRT abgebildet werden können, oder vielleicht fluoreszierenden Molekülen. So kann das Team feststellen, wie die Zellen wandern und ob sie die gewünschten Ziele erreichen.

Schließlich stellen sich Rubner und seine Kollegen vor, die Rucksäcke für Therapien einzusetzen, die das körpereigene Immunsystem so umrüsten, dass erkranktes oder krebsartiges Gewebe angegriffen wird. So könnten beispielsweise Immunzellen aus dem Blutkreislauf entnommen, mit Rucksäcken ausgestattet, aktiviert, um einen Tumor zu bekämpfen, und dem Körper wieder zugeführt werden. Dort würden sie ihre Fracht – sei es ein bildgebendes Mittel oder ein Chemotherapeutikum – direkt an den Tumor abgeben und gesundes Gewebe vor der Exposition gegenüber der toxischen Nutzlast bewahren.

Die Forscher erwarteten zunächst, dass jeder Rucksack ähnlich wie ein Pflaster gleichmäßig an der Oberfläche seiner Trägerzelle haftet. Stattdessen schienen die Patches fest an einer Stelle zu kleben, der Rest baumelte ab – wie ein echter Rucksack, der nur an den Schultern verankert ist, sagt Rubner. Dieses unerwartete Phänomen könnte sich tatsächlich als nützlich erweisen, sagt er. Immunzellen müssen sich durch enge Öffnungen im Körper quetschen; eine aufgeklebte Packung könnte Zellen weniger biegsam machen, während eine baumelnde Packung durchgezogen werden könnte.

Die Zellen und Rucksäcke schlossen sich größtenteils im Verhältnis eins zu eins zusammen. Aber gelegentlich, unter bestimmten Bedingungen, bildeten sich riesige Klumpen von aggregierten Zellen und Rucksäcken. Da die Rucksäcke nicht flach auf den Zellen auflagen, konnten mehr als eine Zelle an einem einzelnen Patch einrasten oder mehr als ein Patch an einer Zelle befestigt werden. Rubner hofft, dass sein Team lernen kann, diesen Prozess zu manipulieren, um vielleicht als Grundlage für ein Bottom-up-Tissue Engineering zu dienen.

Dies sei ein neuer Ansatz, sagt Rubner. Es gibt viel Flexibilität in dem, was Sie damit machen können, und wir hoffen, dass Flexibilität zu etwas wird, das einen großen Wert für die Gesellschaft haben wird.

Aber das werde noch dauern, fügt er hinzu.

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