Conception et exploitation de la NES. (A) Les cellules sont cultivées sur la membrane NS dans une géométrie de plaque bien. (B) Le réactif de livraison est placé sous le fond du réservoir. Un champ électrique est appliqué entre l'électrode de platine et l'électrode ITO pour délivrer des molécules exogènes dans les cellules. (C) Schéma du mécanisme de livraison NES. Les molécules sous la membrane NS sont injectées par électrophorèse dans les cellules d'intérêt à travers la NS. La concentration délivrée (Cin) est en relation quadratique avec l'intensité de tension appliquée aux cellules (V) et est proportionnelle à la concentration de molécules exogènes (Cex) et à la durée de délivrance. (D) Image SEM de la NS dépassant de la membrane. Barre d'échelle, 300 nm. Crédit: Avancées scientifiques (2018). DOI :10.1126/sciadv.aat8131
Les chercheurs peuvent concevoir la molécule parfaite pour modifier un gène, traiter le cancer ou guider le développement d'une cellule souche, mais rien de tout cela n'aura d'importance à la fin s'ils ne peuvent pas introduire leurs molécules dans les cellules humaines qu'ils veulent manipuler. La solution à ce problème, décrit dans une étude publiée le 31 octobre dans Avancées scientifiques , pourrait être de minuscules nanopailles, de minuscules protubérances en verre qui creusent des trous tout aussi minuscules dans les parois des cellules pour livrer leur cargaison.
Une équipe dirigée par Nicholas Melosh, professeur agrégé de science et génie des matériaux, a commencé à tester des nanopailles il y a environ cinq ans en utilisant des lignées cellulaires relativement résistantes dérivées de cancers, cellules de souris et d'autres sources. Maintenant, Melosh et ses collègues ont montré que la technique fonctionne également dans les cellules humaines, un résultat qui pourrait accélérer la recherche médicale et biologique et pourrait un jour améliorer la thérapie génique pour les maladies des yeux, système immunitaire ou des cancers.
"Ce que vous voyez est une énorme poussée pour la thérapie génique et l'immunothérapie du cancer, " dit Meloch, qui est également membre de Stanford Bio-X, Stanford ChEM-H et le Wu Tsai Neurosciences Institute, mais les techniques existantes ne sont pas à la hauteur du défi de fournir des matériaux à tous les types de cellules humaines pertinentes, en particulier les cellules immunitaires. "Ils sont vraiment résistants par rapport à presque toutes les autres cellules que nous avons traitées, " il a dit.
Traverser la membrane cellulaire
L'idée de transporter des produits chimiques à travers la membrane cellulaire et dans la cellule elle-même n'est pas nouvelle, mais il y a un certain nombre de problèmes avec les méthodes sur lesquelles les scientifiques se sont appuyés jusqu'à présent. Dans une méthode commune, appelé électroporation, les chercheurs utilisent un courant électrique pour ouvrir des trous dans les parois cellulaires à travers lesquels des molécules telles que l'ADN ou les protéines peuvent se diffuser, mais la méthode est imprécise et peut tuer de nombreuses cellules avec lesquelles les chercheurs essaient de travailler.
Dans une autre méthode, les chercheurs utilisent des virus pour transporter la molécule d'intérêt à travers une paroi cellulaire, mais le virus lui-même comporte des risques. Bien qu'il existe des méthodes similaires qui remplacent les virus par des produits chimiques plus bénins, ils sont moins précis et efficaces.
C'était la situation jusqu'à il y a à peine cinq ou six ans, lorsque Melosh et ses collègues ont proposé une nouvelle façon d'introduire des molécules dans les cellules, basé sur l'expertise de Melosh dans les nanomatériaux. Ils utiliseraient l'électroporation, mais faites-le de manière beaucoup plus précise avec des nanopailles, qui en raison de leur relativement longue, le profil étroit aide à concentrer les courants électriques dans un très petit espace.
À l'époque, ils ont testé cette technique sur des cellules animales posées sur un lit de nanopaille. Quand ils ont allumé un courant électrique, les nanopailles se sont ouvertes minuscules, pores de taille régulière dans la membrane cellulaire - suffisamment pour que les molécules puissent y pénétrer, mais pas assez pour faire de gros dégâts.
Le courant électrique a également servi à un autre objectif. Plutôt que d'attendre que les molécules flottent au hasard à travers les pores nouvellement ouverts, le courant a attiré les molécules directement dans la cellule, augmenter la vitesse et la précision du processus. La question à l'époque était de savoir si la technique serait aussi efficace sur les types de cellules humaines que les cliniciens devraient manipuler pour traiter les maladies.
Plus rapide, Plus sûr, Plus précis
Dans le nouveau journal, Melosh et son équipe ont montré que la réponse était oui :ils ont réussi à introduire des molécules dans trois types de cellules humaines ainsi que dans des cellules cérébrales de souris, tout cela s'était avéré difficile à travailler dans le passé.
Quoi de plus, la méthode était plus précise, plus rapide et plus sûr que les autres méthodes. La technique de la nanopaille n'a pris que 20 secondes pour délivrer des molécules aux cellules, par rapport aux jours pour certaines méthodes, et a tué moins de dix pour cent des cellules, une grande amélioration par rapport à l'électroporation standard.
Melosh et son laboratoire travaillent maintenant à tester la méthode de nanopaille dans certaines des cellules les plus difficiles à travailler, cellules immunitaires humaines. S'ils réussissent, cela pourrait être un grand pas non seulement pour les scientifiques qui souhaitent modifier des cellules à des fins de recherche, mais aussi pour les médecins qui cherchent à traiter le cancer par immunothérapie, qui consiste actuellement à modifier les cellules immunitaires d'une personne à l'aide de méthodes virales. Les nanopailles permettraient non seulement d'éviter ce danger, mais pourraient potentiellement accélérer le processus d'immunothérapie et réduire son coût, également, dit Meloch.
