Des nanoparticules d'oxyde de fer fluorescentes brillent dans les cellules endothéliales lors d'une expérience à l'Université Rice. A gauche, les nanoparticules sont réparties uniformément entre les microtubules qui aident à donner leur forme aux cellules. A droite, après l'application d'un champ magnétique, les nanoparticules sont attirées vers une extrémité des cellules et changent de forme. Les chercheurs pensent que cela offre un moyen de rendre la barrière endothéliale suffisamment "fuite" pour permettre aux molécules de médicament de traverser pour atteindre les tissus. Crédit :Laboratoire de Génie Biomoléculaire et Nanomédecine/Université du Riz
Les cellules endothéliales qui tapissent les vaisseaux sanguins sont emballées étroitement pour garder le sang à l'intérieur et à l'écoulement, mais les scientifiques de l'Université Rice et leurs collègues ont découvert qu'il était possible d'ouvrir sélectivement des lacunes dans ces barrières juste assez pour laisser passer les grosses molécules, puis de les refermer.
Le bio-ingénieur du riz Gang Bao et ses collaborateurs de l'Université Emory et du Georgia Institute of Technology ont déclaré avoir utilisé des aimants pour aider les nanoparticules d'oxyde de fer à envahir les cellules endothéliales à la fois en laboratoire et in vivo. Ensuite, ils utilisent les mêmes aimants pour rendre les vaisseaux temporairement « fuyants ».
Cette perméabilité permettrait aux médicaments à grosses molécules d'atteindre les tissus cibles, dit Bao. Des aimants puissants peuvent conduire eux-mêmes des cellules souches infusées de nanoparticules ou des nanoparticules chargées de médicaments vers des zones ciblées, même dans les tissus profonds comme les organes que les thérapies actuelles ne peuvent pas atteindre, il a dit.
L'étude paraît aujourd'hui dans Communication Nature .
"Pour de nombreuses maladies, l'administration systémique par la circulation sanguine est le seul moyen d'acheminer les molécules sur le site, " a déclaré Bao. " De petites molécules peuvent pénétrer dans les vaisseaux sanguins et pénétrer dans les cellules malades, mais les grosses molécules comme les protéines ou les nanoparticules chargées de médicaments ne peuvent pas traverser efficacement l'endothélium à moins qu'il ne fuie. »
Les vaisseaux sanguins des tumeurs cancéreuses ont généralement des trous dans la barrière endothéliale, mais ils ne ferment pas à la demande comme Bao et son équipe espèrent le faire.
Sous l'influence d'un aimant, les nanoparticules réalignent les filaments d'actine dans les cellules endothéliales. Les chercheurs de l'Université Rice soupçonnent qu'un tel réalignement peut perturber les jonctions entre les cellules endothéliales et augmenter la perméabilité vasculaire. Crédit :Laboratoire de Génie Biomoléculaire et Nanomédecine/Université du Riz
Avec les molécules médicamenteuses, Bao veut utiliser des aimants pour délivrer des cellules souches infusées de nanoparticules aux tissus blessés. "À moins que vous ne puissiez faire l'injection directe de cellules souches, disons dans le coeur, vous devez effectuer une livraison systémique et vous n'avez aucun contrôle sur leur destination.
"Notre idée initiale était de fournir des nanoparticules magnétiques dans des cellules souches, puis d'utiliser un aimant pour attirer les cellules souches vers un emplacement particulier, " dit-il. " Ce faisant, nous avons également découvert qu'en appliquant un champ magnétique, nous pourrions générer des changements dans la structure squelettique de la cellule en termes de structures de filaments d'actine."
Ces éléments structurels donnent leur forme aux cellules et aident à garder les cellules voisines bien compactées. "Nous avons pensé que si nous pouvions modifier la jonction cellule-cellule en utilisant la force magnétique, il y avait une possibilité que nous puissions concevoir l'étanchéité du navire, " dit Bao.
Le laboratoire a créé une chambre à circulation microfluidique qui imitait le système vasculaire et a tapissé ses tubes de véritables cellules endothéliales. Des expériences ont prouvé leur hypothèse :lorsqu'un champ magnétique a été appliqué aux cellules infusées de nanoparticules, les brèches se sont ouvertes. Le relâchement de la force a permis à la plupart des écarts de se fermer après 12 heures.
Des images microscopiques ont montré que les nanoparticules marquées par fluorescence étaient uniformément réparties à l'intérieur du canal endothélial lorsqu'un champ magnétique n'était pas appliqué. Quand c'était, les particules redistribuées, et la force qu'ils appliquaient déformait le cytosquelette.
Des chercheurs de l'Université Rice préparent un lot de nanoparticules d'oxyde de fer pour des expériences. Ils ont découvert les particules, avec des aimants puissants, peut être utilisé pour ouvrir des espaces pour l'administration de médicaments entre les cellules endothéliales qui tapissent les vaisseaux sanguins. De gauche, Gang Bao, Sheng Tong et Linlin Zhang. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Dans certaines images, des filaments d'actine qui aident à donner sa forme à une cellule ont été observés s'alignant avec la force. "C'est un changement assez spectaculaire, " dit Bao. " Une fois que vous aurez appliqué la force, suffisamment de temps, la structure des cellules change. Cela conduit à l'ouverture de la jonction cellule-cellule."
Bao a déclaré que la force magnétique génère également un signal biologique qui modifie la structure du cytosquelette. "Cela contribue également à la fuite, ", a-t-il déclaré. "Nous essayons toujours de comprendre quel type de signal nous donnons aux cellules et comment les cellules individuelles réagissent."
Bien qu'il existe des méthodes pour faciliter deux types de transport à travers la barrière endothéliale - paracellulaire (entre les cellules) et transcellulaire (à travers les cellules) - aucune n'a la capacité de cibler des zones spécifiques du corps. Bao a déclaré que l'approche de son équipe offre une solution.
Il a déclaré que son groupe faisait partie d'un projet de collaboration en cours sur la réparation du genou avec le laboratoire du Dr Johnny Huard, professeur de chirurgie orthopédique au Centre des sciences de la santé de l'Université du Texas à Houston. "Le problème est de savoir comment accumuler des cellules souches thérapeutiques autour du genou et les y maintenir, " a déclaré Bao. " Après avoir injecté les cellules infusées de nanoparticules, nous voulons mettre une rangée d'aimants autour du genou pour les attirer.
"Mais si vous voulez soigner le cœur ou le foie, vous auriez besoin d'un appareil assez gros pour avoir le champ magnétique requis, " dit-il. " Nous ne l'avons pas encore. Conduire cela à un cadre clinique sera un défi. »
