Νανοκινητήρες μέσα σε ζωντανά κύτταρα. Nanomotors are controlled, for the first time, inside living cells

Επιστήμονες στης ΗΠΑ κατάφεραν να εισάγουν για πρώτη φορά μικροσκοπικούς συνθετικούς νανοκινητήρες μέσα σε ζωντανά ανθρώπινα κύτταρα, τους οποίους μάλιστα κατάφεραν να τηλεκατευθύνουν μέσω υπερηχητικών κυμάτων και μαγνητικών δυνάμεων. Optical microscope image of a HeLa cell containing several gold-ruthenium nanomotors. Arrows indicate the trajectories of the nanomotors, and the solid white line shows propulsion. Near the center of the image, a spindle of several nanomotors is spinning. Inset: Electron micrograph of a gold-ruthenium nanomotor. The scattering of sound waves from the two ends results in propulsion. Image: Mallouk Lab/ Penn State

Οι νανοκινητήρες, έχουν σχήμα πυραύλου και στην ουσία είναι μεταλλικά σωματίδια, που μπορούν να κινούνται μέσα στα κύτταρα και να «προσκρούουν» εκ των έσω πάνω στην κυτταρική μεμβράνη. Η δυνατότητα αυτή μπορεί να ανοίξει νέους δρόμους στην ιατρική στο μέλλον, βοηθώντας στη θεραπεία διαφόρων νόσων, όπως ο καρκίνος, μέσω επιλεκτικής καταστροφής των καρκινικών κυττάρων.

A demonstration of very active gold nanorods internalized inside HeLa cells in an acoustic field. This video was taken under 1000X magnification in the bright field, with most of the incoming light blocked at the aperture.

Οι ερευνητές, χημικοί και μηχανικοί, με επικεφαλής τον Τομ Μαλούκ, καθηγητή Χημείας των Υλικών του πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο διεθνούς κύρους περιοδικό χημείας «Angewandte Chemie International», ανέφεραν ότι «καθώς οι νανοκινητήρες κινούνται ολόγυρα και πέφτουν πάνω στις διάφορες δομές του κυττάρου, τα ζωντανά κύτταρα εμφανίζουν εσωτερικές μηχανικές αντιδράσεις που κανείς ποτέ δεν έχει δει στο παρελθόν».

Dark particles in a HeLa cell interact with spinning gold nanorods. This video was taken under 1000X magnification in bright field, with most of the incoming light blocked at the aperture.

Σύμφωνα με το Μαλούκ, «η νέα έρευνα δείχνει ότι είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν νανοκινητήρες για να μελετηθεί η βιολογία του κυττάρου με νέους τρόπους. Πιθανώς θα μπορούσαμε στο μέλλον να χρησιμοποιήσουμε τέτοιους νανοκινητήρες για να θεραπεύσουμε τον καρκίνο και άλλες ασθένειες, ‘χειραγωγώντας’ μηχανικά τα κύτταρα εκ των έσω. Ακόμα, οι νανοκινητήρες θα μπορούσαν να πραγματοποιούν ενδοκυτταρική χειρουργική και να μεταφέρουν φάρμακα στους ζωντανούς ιστούς με μη επεμβατικό τρόπο».

Τέτοιες νανομηχανές αναπτύχθηκαν πριν από περίπου δέκα χρόνια. Μέχρι σήμερα οι νανοκινητήρες είχαν χρησιμοποιηθεί μόνο σε εργαστηριακές συνθήκες (in vitro) και όχι σε ζωντανά κύτταρα. Για τα νέα πειράματά τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ανθρώπινα καρκινικά κύτταρα, τα οποία «κατάπιαν» τους νανοκινητήρες και οι τελευταίοι, στη συνέχεια, άρχισαν να κινούνται πέρα-δώθε και να κάνουν άνω-κάτω το κύτταρο.

Η πρώτη γενιά νανοκινητήρων χρειαζόταν τοξικά χημικά καύσιμα για την κίνησή τους, πράγμα που καθιστούσε απαγορευτική την εισαγωγή και κίνησή τους μέσα σε βιολογικό υλικό, όπως τα κύτταρα. Το πρόβλημα αυτό ξεπεράστηκε πρόσφατα με την χρησιμοποίηση υπερηχητικών κυμάτων ως μέσου προώθησης των νανοκινητήρων, πράγμα που άνοιξε το δρόμο για την αξιοποίησή τους στο εσωτερικό των ζωντανών συστημάτων.

Πέρα από την χρήση υπερηχητικών κυμάτων, με τα οποία οι επιστήμονες μπορούν να ωθήσουν τον νανοκινητήρα να επιταχύνει ή να στρίψει, η τηλεκατεύθυνση γίνεται ακόμα πιο αποτελεσματικά με την πρόσθετη αξιοποίηση μαγνητικών δυνάμεων.

Ακόμη, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι οι νανοκινητήρες είναι σε θέση να κινούνται αυτόνομα, δηλαδή ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο μέσα στο κύτταρο. Αυτή η δυνατότητα μπορεί να βοηθήσει σε μελλοντικές πρακτικές εφαρμογές, όπως στην επιλεκτική καταστροφή συγκεκριμένων κυττάρων.

«Αν θέλουμε αυτοί οι κινητήρες να καταστρέφουν καρκινικά κύτταρα, είναι καλύτερα να μπορούν να κινούνται ανεξάρτητα. Δεν θα θέλαμε μια ολόκληρη μάζα από αυτές τις νανομηχανές να πηγαίνουν προς μια μόνο κατεύθυνση», δήλωσε ο Μαλούκ.

Βίντεο: τα νανο-σωματίδια από χρυσό στο εσωτερικό κυττάρων HeLa υπό την επίδραση ακουστικών κυμάτων. A demonstration of very active gold nanorods internalized inside HeLa cells in an acoustic field. This video was taken under 1000X magnification in the bright field, with most of the incoming light blocked at the aperture. Mallouk Lab, Penn State

Οι ερευνητές ήδη ονειρεύονται ολόκληρα «ταξίδια», όπου στρατιές νανομηχανών θα τριγυρνάνε μέσα στο ανθρώπινο σώμα, επικοινωνώντας μεταξύ τους για να συντονίζουν τη δράση τους, εκτελώντας διάφορες εργασίες διάγνωσης και θεραπείας.