211service.com
Celgedrag regelen met magneten
Voor het eerst hebben onderzoekers een manier aangetoond om celfuncties te controleren met een fysiek, in plaats van chemisch, signaal. Met behulp van een magnetisch veld om minuscule bolletjes samen te trekken die gericht zijn op bepaalde celreceptoren, lieten Harvard-onderzoekers cellen calcium opnemen, dan stoppen, en dan weer opnemen. Hun werk is het eerste dat bewijst dat een dergelijk niveau van controle over cellen mogelijk is. Als de aanpak bij veel celtypen en celfuncties kan worden gebruikt, zou dit kunnen leiden tot een totaal nieuwe klasse van therapieën die afhankelijk zijn van cellen zelf om medicijnen te maken en af te geven.
Mobiele schakelaar: Immuuncellen bedekt met nanodeeltjes nemen calcium op in aanwezigheid van een magnetisch veld. Elk nanodeeltje heeft een diameter van ongeveer 30 nanometer. In deze afbeelding nemen gele cellen calcium op als reactie op een gelokaliseerd magnetisch veld. Cellen die verder van het veld staan, worden paars weergegeven en nemen geen calcium op.
Het onderzoek, dat verscheen in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , werd geleid door Donald Ingber , hoogleraar pathologie aan de Harvard Medical School en covoorzitter van de Harvard Institute for Biologically Inspired Engineering . De groep van Ingber demonstreerde zijn methode voor biomagnetische controle met behulp van een type immuunsysteemcel die allergische reacties veroorzaakt. Gerichte nanodeeltjes met ijzeroxidekernen werden gebruikt om antigenen in vitro na te bootsen. Elk is bevestigd aan een molecuul dat op zijn beurt kan hechten aan een enkele receptor op een immuuncel. Wanneer Ingber cellen die met deze deeltjes zijn verbonden, blootstelt aan een zwak magnetisch veld, worden de nanodeeltjes magnetisch en trekken ze samen, waardoor de bevestigde celreceptoren in clusters worden getrokken. Hierdoor nemen de cellen calcium op. (In het lichaam zou dit een reeks gebeurtenissen in gang zetten die ertoe leiden dat de cellen histamine afgeven.) Wanneer het magnetische veld wordt uitgeschakeld, worden de deeltjes niet langer tot elkaar aangetrokken, bewegen de receptoren uit elkaar en stopt de instroom van calcium .
Het is niet de chemie; het is de nabijheid die dergelijke receptoren activeert, zegt Ingber.
De aanpak kan verstrekkende gevolgen hebben, omdat veel belangrijke celreceptoren op een vergelijkbare manier worden geactiveerd en mogelijk worden gecontroleerd met behulp van de methode van Ingber.
In de afgelopen jaren is men zich gaan realiseren dat fysieke gebeurtenissen, niet alleen chemische gebeurtenissen, belangrijk zijn voor de celfunctie, zegt Shu Chien , een bio-ingenieur aan de Universiteit van Californië, San Diego. Onderzoekers hebben de effecten van fysieke krachten op cellen onderzocht door ze bijvoorbeeld tussen platen te persen of sondes over hun oppervlak te trekken. Maar geen van deze technieken werkt op zo'n fijn controleniveau als Ingber's magnetische kralen, die inwerken op afzonderlijke biomoleculen.
Tot nu toe was er op deze schaal niet veel controle [over cellen], zegt Larry Nagahara , projectmanager bij de Alliance for Nanotechnology in Cancer van het National Cancer Institute en hoogleraar natuurkunde aan de Arizona State University.
Veel medicijnen, van antistoffen tegen kanker tot hormonen, werken door celreceptoren te activeren. Als een hormoon eenmaal in het bloed zit, kan het echter niet meer worden in- of uitgeschakeld. Dit laat zien dat je het signaal kunt in- en uitschakelen, en dat je het meteen kunt doen, zegt Christopher Chen , een bio-ingenieur aan de Universiteit van Pennsylvania. Dat is moeilijk te doen, bijvoorbeeld met een antilichaam.
Ingber heeft veel ideeën voor apparaten die zijn methode van cellulaire controle zouden kunnen integreren. Magnetische pacemakers zouden cellen kunnen gebruiken in plaats van elektroden om elektrische pulsen naar het hart te sturen. Implanteerbare medicijnfabrieken kunnen veel groepen cellen bevatten, die elk een ander medicijn maken wanneer ze worden geactiveerd door een magnetisch signaal. Biomagnetische controle kan leiden tot computers die kunnen profiteren van de verwerkingskracht van cellen. Cellen doen complexe dingen zoals beeldverwerking zoveel beter dan computers, zegt Ingber. Ingber, die met het project begon als reactie op een oproep van het Defense Advanced Research Projects Agency voor nieuwe cel-machine-interfaces, erkent dat zijn werk zich in de beginfase bevindt. Over vijftig jaar verwacht hij echter dat er apparaten zullen zijn die naadloos op elkaar aansluiten tussen levende cellen en machines.
Andere onderzoekers zijn het daarmee eens. De biomagnetische controle van Ingber kan een nieuw mechanisme zijn voor mens-machine-interfaces, zegt Chien van UC San Diego. Maar voordat dergelijke interfaces kunnen worden ontwikkeld, zegt ingenieur Chen van de University of Pennsylvania, moeten onderzoekers veel meer leren over cellen.
Stel dat we cellen op een chip hebben en we weten welk gedrag we willen uitlokken, zoals een stamcel een wond laten binnendringen en reparaties starten, zegt Chen. We weten niet welke signaleringsgebeurtenissen er moeten gebeuren om de cel in de juiste staat te brengen zodat deze de gewenste actie zal ondernemen.
Op korte termijn zegt Chen dat de methode van Ingber biologen kan helpen cruciale kennis te verwerven over celsignalering, zoals hoe deze signalen chemisch en fysiek door de cel worden verwerkt en hoe ze tot bepaalde resultaten leiden, van calciumopname tot veranderingen in genexpressie . Het biedt een hulpmiddel waarmee we de cel kunnen aanpassen en zien wat er gebeurt, zegt Chen.