Une équipe de recherche du département de génie mécanique de l'Université de technologie de Toyohashi a développé une méthode de photoporation assistée par laser à impulsions nanosecondes utilisant des nanotubes d'oxyde de titane (TNT) pour une administration intracellulaire très efficace et à faible coût. Les résultats de leurs recherches seront publiés dans le Sciences appliquées des surfaces le 30 mars 2021, 148815.

Le potentiel de fournir des molécules externes dans des cellules vivantes avec une viabilité cellulaire et une capacité de transfection élevées est d'un grand intérêt en biologie cellulaire pour le diagnostic, l'administration de médicaments, et le développement thérapeutique vers la thérapie cellulaire et la médecine régénérative. Depuis de nombreuses années, les systèmes d'administration de médicaments ont progressé pour atteindre un meilleur contrôle du dosage des médicaments, livraison ciblée, et des effets secondaires réduits. Ces techniques peuvent être qualifiées de virales, physique, ou des méthodes chimiques.

Parmi ces méthodes, la photoporation est en train d'émerger et est devenue populaire pour l'administration intracellulaire au cours des dernières années, en raison de son caractère moins invasif. Dans cette méthode, nanoparticules d'or, qui absorbent la lumière pulsée, sont dispersés dans une solution pour perforer les alvéoles, cependant, les matériaux sont chers. Il est souhaitable d'utiliser des nanomatériaux moins coûteux tout en maintenant une efficacité de livraison et une viabilité cellulaire élevées.

Le groupe de recherche a conçu et fabriqué une matrice de nanotubes rentable pour la livraison intracellulaire basée sur la photoporation. Des TNT ont été formés sur des feuilles de titane à différentes tensions et durées en utilisant la technique d'anodisation électrochimique. La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) a révélé la présence de différentes espèces d'oxyde de titane telles que TiO 2 et TixOy (TiO/Ti 2 O 3 /Ti 3 O 5 ). Les TNT formés par différentes tensions et durées d'anodisation présentaient différentes concentrations de ces espèces d'oxydation ainsi qu'une quantité mineure de métal Ti (Ti0). En raison de la formation de défauts d'oxygène, les nanotubes ont des propriétés quasi-métalliques et métalliques. Ces propriétés des nanotubes peuvent faciliter la délivrance intracellulaire par divers mécanismes après irradiation avec un laser à impulsions nanosecondes.

HeLa—des cellules humaines de cancer du col de l'utérus ont été cultivées sur des TNT et une solution biomoléculaire a été introduite. Après exposition à un laser pulsé à 532 nm sur nanotubes, nous avons réussi à introduire de l'iodure de propidium (PI) et du dextrane dans les cellules HeLa—des cellules cancéreuses du col de l'utérus humaines avec une efficacité et une viabilité cellulaire élevées.

Les principes possibles de la perforation de la membrane cellulaire comprennent les nanobulles à médiation thermique, espèces réactives de l'oxygène (ROS) induites photochimiquement, transfert de chaleur des nanotubes vers la membrane cellulaire, et une forte amélioration du champ électromagnétique à résonance plasmonique de surface localisée sur chaque nanotube. Cela conduit à la formation de nanobulles cavitationnelles dans chaque interface membrane cellulaire-nanotube qui peuvent croître rapidement, se fondre, et s'effondrer pour provoquer des explosions, entraînant une perforation de la membrane cellulaire, qui permet aux biomolécules d'être délivrées de l'extérieur vers l'intérieur des cellules. "Le mécanisme précis de l'administration intracellulaire sur la photoporation à base de TNT n'est toujours pas clair. L'administration intracellulaire peut se produire par la combinaison des mécanismes, " dit L. Mohan, un chercheur, à l'Université de technologie de Toyohashi.

Moeto Nagai, le chef d'équipe, à l'Université de technologie de Toyohashi, estime que les nanotubes d'oxyde de titane pourraient être une plate-forme polyvalente et peu coûteuse pour l'administration intracellulaire à l'aide d'un laser pulsé. Les caractéristiques importantes de ce dispositif ont une distribution uniforme parallèle et contrôlée avec une efficacité et une viabilité cellulaire élevées et il est potentiellement applicable pour la thérapie cellulaire et la médecine régénérative.