Kontrolowanie zachowania komórek za pomocą magnesów

Po raz pierwszy naukowcy zademonstrowali sposób kontrolowania funkcji komórki za pomocą sygnału fizycznego, a nie chemicznego. Używając pola magnetycznego do połączenia maleńkich kulek skierowanych do określonych receptorów komórkowych, naukowcy z Harvardu sprawili, że komórki pobierały wapń, a następnie przestawały, a następnie ponownie je pobierały. Ich praca jako pierwsza udowadnia, że ​​taki poziom kontroli nad komórkami jest możliwy. Jeśli podejście to może być stosowane w przypadku wielu typów komórek i funkcji komórek, może to doprowadzić do całkowicie nowej klasy terapii, które polegają na samych komórkach do wytwarzania i uwalniania leków.

Przełącznik komórki: Komórki odpornościowe pokryte nanocząsteczkami pobierają wapń w obecności pola magnetycznego. Każda nanocząsteczka ma średnicę około 30 nanometrów. Na tym zdjęciu żółte komórki pobierają wapń w odpowiedzi na zlokalizowane pole magnetyczne. Komórki znajdujące się dalej od pola są zaznaczone na fioletowo i nie pobierają wapnia.

Badania, które ukazały się w czasopiśmie Natura Nanotechnologia , był prowadzony przez Donald Ingber , profesor patologii w Harvard Medical School i współprzewodniczący Harvard Institute for Biology Inspired Engineering . Grupa Ingbera zademonstrowała swoją metodę kontroli biomagnetycznej przy użyciu rodzaju komórki układu odpornościowego, która pośredniczy w reakcjach alergicznych. Ukierunkowane nanocząstki z rdzeniami z tlenku żelaza wykorzystano do naśladowania antygenów in vitro. Każda jest przyłączona do cząsteczki, która z kolei może przyłączyć się do pojedynczego receptora na komórce odpornościowej. Kiedy Ingber wystawia komórki związane z tymi cząsteczkami na działanie słabego pola magnetycznego, nanocząstki stają się magnetyczne i przyciągają się, ciągnąc przyłączone receptory komórkowe w skupiska. To powoduje, że komórki pobierają wapń. (W organizmie zainicjuje to łańcuch zdarzeń, które prowadzą komórki do uwalniania histaminy.) Gdy pole magnetyczne jest wyłączone, cząstki nie są już przyciągane do siebie, receptory oddalają się, a dopływ wapnia ustaje .

To nie chemia; to bliskość aktywuje takie receptory, mówi Ingber.

Podejście to może mieć daleko idące skutki, ponieważ wiele ważnych receptorów komórkowych jest aktywowanych w podobny sposób i może być kontrolowanych za pomocą metody Ingbera.

W ostatnich latach zdano sobie sprawę, że zdarzenia fizyczne, a nie tylko chemiczne, są ważne dla funkcjonowania komórki, mówi: Shu Chien , bioinżynier na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Naukowcy badali wpływ sił fizycznych na komórki, na przykład zgniatając je między płytkami lub przeciągając sondy po ich powierzchni. Ale żadna z tych technik nie działa na tak precyzyjnym poziomie kontroli, jak kulki magnetyczne Ingbera, które działają na pojedyncze biomolekuły.

Do tej pory nie było zbyt dużej kontroli [nad komórkami] na taką skalę, mówi Larry Nagahara , kierownik projektu w National Cancer Institute’s Alliance for Nanotechnology in Cancer oraz profesor fizyki na Arizona State University.

Wiele leków, od przeciwciał przeciwnowotworowych po hormony, działa poprzez aktywację receptorów komórkowych. Jednak gdy hormon znajdzie się we krwi, nie można go włączyć ani wyłączyć. To pokazuje, że możesz włączać i wyłączać sygnał i że możesz to zrobić natychmiast, mówi Christopher Chen , bioinżynier na Uniwersytecie Pensylwanii. To jest coś, co trudno zrobić, na przykład z przeciwciałem.

Ingber ma wiele pomysłów na urządzenia, które mogą zintegrować jego metodę kontroli komórkowej. Stymulatory magnetyczne mogą wykorzystywać komórki zamiast elektrod do wysyłania impulsów elektrycznych do serca. Wszczepiane fabryki leków mogą zawierać wiele grup komórek, z których każda wytwarza inny lek po aktywacji sygnałem magnetycznym. Kontrola biomagnetyczna może prowadzić do powstania komputerów, które będą mogły wykorzystać moc przetwarzania komórek. Komórki wykonują złożone rzeczy, takie jak przetwarzanie obrazu, o wiele lepiej niż komputery, mówi Ingber. Ingber, który rozpoczął projekt w odpowiedzi na wezwanie Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony dotyczące nowych interfejsów komórka-maszyna, przyznaje, że jego praca jest na wczesnym etapie. Spodziewa się jednak, że za pięćdziesiąt lat pojawią się urządzenia, które płynnie łączą żywe komórki z maszynami.

Inni badacze zgadzają się. Kontrola biomagnetyczna Ingbera może stanowić nowy mechanizm dla interfejsów człowiek-maszyna, mówi Chien z UC San Diego. Ale zanim takie interfejsy będą mogły zostać opracowane, mówi inżynier Chen z University of Pennsylvania, naukowcy muszą dowiedzieć się dużo więcej o komórkach.

Powiedzmy, że mamy komórki na chipie i wiemy, jakie zachowanie chcemy wywołać, takie jak wprowadzenie komórki macierzystej w miejsce rany i zainicjowanie naprawy, mówi Chen. Nie wiemy, jakie zdarzenia sygnalizacyjne muszą zajść, aby komórka znalazła się w odpowiednim stanie, aby podjęła żądaną akcję.

W perspektywie krótkoterminowej, Chen mówi, że metoda Ingbera może pomóc biologom zdobyć kluczową wiedzę na temat sygnalizacji komórkowej, na przykład w jaki sposób sygnały te są przetwarzane chemicznie i fizycznie przez komórkę oraz w jaki sposób prowadzą do określonych wyników, od wychwytu wapnia po zmiany w ekspresji genów . Zapewnia narzędzie, które pozwala nam dostroić komórkę i zobaczyć, co się stanie, mówi Chen.

ukryć