211service.com
Styring af celleadfærd med magneter
For første gang har forskere demonstreret et middel til at kontrollere cellefunktioner med et fysisk snarere end kemisk signal. Ved at bruge et magnetfelt til at samle små perler målrettet mod bestemte cellereceptorer, fik Harvard-forskere celler til at optage calcium og derefter stoppe og derefter tage det op igen. Deres arbejde er det første til at bevise, at et sådant niveau af kontrol over celler er muligt. Hvis tilgangen kan bruges med mange celletyper og cellefunktioner, kan det føre til en helt ny klasse af terapier, der er afhængige af, at cellerne selv fremstiller og frigiver lægemidler.
Cellekontakt: Immunceller belagt med nanopartikler optager calcium i nærvær af et magnetfelt. Hver nanopartikel måler cirka 30 nanometer i diameter. På dette billede optager gule celler calcium som reaktion på et lokaliseret magnetfelt. Celler, der er længere væk fra feltet, er vist i lilla og optager ikke calcium.
Undersøgelsen, som udkom i tidsskriftet Natur nanoteknologi , blev ledet af Donald Ingber , professor i patologi ved Harvard Medical School og cochair for Harvard Institute for Biologically Inspired Engineering . Ingbers gruppe demonstrerede sin metode til biomagnetisk kontrol ved hjælp af en type immunsystemcelle, der medierer allergiske reaktioner. Målrettede nanopartikler med jernoxidkerner blev brugt til at efterligne antigener in vitro. Hver er knyttet til et molekyle, der igen kan binde sig til en enkelt receptor på en immuncelle. Når Ingber udsætter celler bundet med disse partikler for et svagt magnetfelt, bliver nanopartiklerne magnetiske og trækker sig sammen og trækker de vedhæftede cellereceptorer ind i klynger. Dette får cellerne til at optage calcium. (I kroppen ville dette initiere en kæde af begivenheder, der får cellerne til at frigive histamin.) Når magnetfeltet er slukket, tiltrækkes partiklerne ikke længere af hinanden, receptorerne bevæger sig fra hinanden, og tilstrømningen af calcium stopper .
Det er ikke kemien; det er nærheden, der aktiverer sådanne receptorer, siger Ingber.
Tilgangen kan have en vidtrækkende effekt, da mange vigtige cellereceptorer aktiveres på lignende måde og kan kontrolleres ved hjælp af Ingbers metode.
I de senere år har der været en erkendelse af, at fysiske begivenheder, ikke kun kemiske begivenheder, er vigtige for cellefunktionen, siger Shu Chien , en bioingeniør ved University of California, San Diego. Forskere har undersøgt virkningerne af fysiske kræfter på celler ved for eksempel at klemme dem mellem plader eller trække sonder hen over deres overflader. Men ingen af disse teknikker fungerer på et så fint niveau af kontrol som Ingbers magnetiske perler, der virker på enkelte biomolekyler.
Indtil nu har der ikke været meget kontrol [over celler] i denne skala, siger Larry Nagahara , projektleder i National Cancer Institute's Alliance for Nanotechnology in Cancer og fysikprofessor ved Arizona State University.
Mange lægemidler, fra anticancerantistoffer til hormoner, virker ved at aktivere cellereceptorer. Når først et hormon er i blodet, er der dog ingen mulighed for at tænde eller slukke for det. Dette viser, at du kan tænde og slukke for signalet, og at du kan gøre det med det samme, siger Christopher Chen , en bioingeniør ved University of Pennsylvania. Det er noget, der er svært at gøre, for eksempel med et antistof.
Ingber har mange ideer til enheder, der kan integrere hans metode til cellulær kontrol. Magnetiske pacemakere kunne bruge celler i stedet for elektroder til at sende elektriske impulser til hjertet. Implanterbare lægemiddelfabrikker kan indeholde mange grupper af celler, som hver især laver et andet lægemiddel, når de aktiveres af et magnetisk signal. Biomagnetisk kontrol kan føre til computere, der kan drage fordel af cellernes processorkraft. Celler gør komplekse ting som billedbehandling så meget bedre end computere, siger Ingber. Ingber, der startede projektet som svar på en opfordring fra Defense Advanced Research Projects Agency til nye celle-maskine-grænseflader, erkender, at hans arbejde er i de tidlige stadier. Om halvtreds år forventer han dog, at der vil være enheder, der problemfrit forbinder levende celler og maskiner.
Andre forskere er enige. Ingbers biomagnetiske kontrol kan repræsentere en ny mekanisme for menneske-maskine-grænseflader, siger UC San Diegos Chien. Men før sådanne grænseflader kan udvikles, siger University of Pennsylvania-ingeniør Chen, skal forskere lære meget mere om celler.
Lad os sige, at vi har celler på en chip, og vi ved, hvilken adfærd vi ønsker at fremkalde, såsom at få en stamcelle til at komme ind på et sårsted og igangsætte reparationer, siger Chen. Vi ved ikke, hvilke signalbegivenheder der skal ske for at sætte cellen i den rigtige tilstand, så den vil tage den ønskede handling.
På kort sigt siger Chen, at Ingbers metode kan hjælpe biologer med at få afgørende viden om cellesignalering, såsom hvordan disse signaler behandles kemisk og fysisk af cellen, og hvordan de fører til særlige resultater, fra calciumoptagelse til ændringer i genekspression . Det giver et værktøj, der lader os finjustere cellen og se, hvad der sker, siger Chen.