Une image au microscope électronique à balayage de cellules cancéreuses HeLa fixées chimiquement sur le substrat. Crédit :Université de Harvard
La capacité de livrer des cargaisons telles que des médicaments ou de l'ADN dans les cellules est essentielle pour la recherche biologique et le traitement des maladies, mais les membranes cellulaires sont très efficaces pour défendre leur territoire. Les chercheurs ont développé diverses méthodes pour tromper ou forcer l'ouverture de la membrane cellulaire, mais ces méthodes sont limitées dans le type de cargaison qu'elles peuvent livrer et ne sont pas particulièrement efficaces.
Maintenant, Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une nouvelle méthode utilisant des microstructures d'or pour introduire une variété de molécules dans les cellules avec une efficacité élevée et sans dommages durables. La recherche est publiée dans ACS Nano .
« Être capable de livrer efficacement des cargaisons volumineuses et diverses directement dans les cellules transformera la recherche biomédicale, " a déclaré Nabiha Saklayen, doctorant au Mazur Lab de SEAS et premier auteur de l'article. "Toutefois, aucun système de livraison unique actuel ne peut faire tout ce que vous devez faire à la fois. Les systèmes d'administration intracellulaire doivent être très efficaces, évolutif, et rentable tout en étant capable de transporter diverses cargaisons et de les livrer à des cellules spécifiques sur une surface sans dommage. C'est un très gros défi."
Dans des recherches antérieures, Saklayen et ses collaborateurs ont démontré que l'or, les microstructures en forme de pyramide sont très efficaces pour focaliser l'énergie laser dans les points chauds électromagnétiques. Dans cette recherche, l'équipe a utilisé une méthode de fabrication appelée décapage de gabarits pour créer des surfaces - de la taille d'un quart - avec 10 millions de ces minuscules pyramides.
"La belle chose à propos de ce processus de fabrication est à quel point il est simple, " a déclaré Marinna Madrid, co-auteur de l'article et doctorant au Mazur Lab. "Le template stripping permet de réutiliser indéfiniment les templates en silicium. Il faut moins d'une minute pour fabriquer chaque substrat, et chaque substrat ressort parfaitement uniforme. Cela n'arrive pas très souvent en nanofabrication."
L'équipe a cultivé des cellules cancéreuses HeLa directement au sommet des pyramides et a entouré les cellules d'une solution contenant une cargaison moléculaire.
En utilisant des impulsions laser nanosecondes, l'équipe a chauffé les pyramides jusqu'à ce que les points chauds aux extrémités atteignent une température d'environ 300 degrés Celsius. Cet échauffement très localisé - qui n'a pas affecté les cellules - a provoqué la formation de bulles jusqu'au sommet de chaque pyramide. Ces bulles ont doucement poussé leur chemin dans la membrane cellulaire, ouvrant de brefs pores dans la cellule et permettant aux molécules environnantes de se diffuser dans la cellule.
Des impulsions laser nanosecondes chauffent les pyramides recouvertes d'or, provoquant la formation de bulles au sommet de chaque pyramide. Ces bulles pénètrent doucement dans la membrane cellulaire, ouvrant de brefs pores et permettant aux molécules de se diffuser. Les pyramides réelles sont de hauteur uniforme. Crédit :Nabiha Saklayen/Harvard SEAS
"Nous avons découvert que si nous faisions ces pores très rapidement, les cellules se guériraient d'elles-mêmes et nous pourrions les garder en vie, en bonne santé et en division pendant plusieurs jours, " a déclaré Saklayen.
Chaque cellule cancéreuse HeLa se trouvait au sommet d'environ 50 pyramides, ce qui signifie que les chercheurs pourraient créer environ 50 minuscules pores dans chaque cellule. L'équipe pourrait contrôler la taille des bulles en contrôlant les paramètres du laser et pourrait contrôler de quel côté de la cellule pénétrer.
Les molécules délivrées dans la cellule étaient à peu près de la même taille que les cargaisons cliniquement pertinentes, y compris les protéines et les anticorps.
Prochain, l'équipe prévoit de tester les méthodes sur différents types cellulaires, y compris les cellules sanguines, cellules souches et cellules T. Cliniquement, cette méthode pourrait être utilisée dans des thérapies ex vivo, où les cellules malsaines sont retirées du corps, donné une cargaison comme de la drogue ou de l'ADN, et réintroduit dans le corps.
"Ce travail est vraiment passionnant car il y a tellement de paramètres différents que nous pourrions optimiser pour permettre à cette méthode de fonctionner sur de nombreux types de cellules et cargaisons différents, " a déclaré Saklayen. "C'est une plate-forme très polyvalente."
L'Office of Technology Development de Harvard a déposé des demandes de brevet et envisage des opportunités de commercialisation.
« C'est formidable de voir comment les outils de la physique peuvent grandement faire progresser d'autres domaines, surtout lorsqu'il peut permettre de nouvelles thérapies pour des maladies auparavant difficiles à traiter, " a déclaré Eric Mazur, le professeur Balkanski de physique et de physique appliquée et auteur principal de l'article.
