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Controllati per la prima volta nano-motori all’interno di cellule viventi

Per la prima volta, un team di chimici e ingegneri alla Penn State University è riuscito a inserire sottilissimi motori sintetici all’interno di una cellula umana vivente, spinti da onde ultrasoniche e guidati magneticamente. Non è proprio un “Viaggio alluncinante” [Ndr: film del 1966 sul viaggio nel corpo umano], ma ci va vicino.

Immagine da microscopio ottico di una cellula HeLa contenente alcuni nanomotori oro-rutenio. Le frecce indicano le loro traiettorie e la grossa linea bianca indica la propulsione. Vicino al centro del’immagine un mandrino di alcuni nanomotori che gira. La dispersione di onde sonore dalle due estremità provoca propulsione. Credit: Mallouk lab, Penn State University.

Immagine da microscopio ottico di una cellula HeLa contenente alcuni nanomotori oro-rutenio. Le frecce indicano le loro traiettorie e la grossa linea bianca indica la propulsione. Vicino al centro del’immagine un mandrino di alcuni nanomotori che gira. La dispersione di onde sonore dalle due estremità provoca propulsione. Credit: Mallouk lab, Penn State University.

I nanomotori, particelle metalliche a forma di razzo, si muovono in giro per le cellule, roteando e sbattendo sulla membrana cellulare.

Muovendosi e girando all’interno delle strutture delle cellule, queste ultime mostrano un meccanismo di risposta che non si è mai visto prima” afferma Tom Mallouk, professore Evan Pugh al Materials Chemistry and Physics al Penn State. “Questa ricerca dimostra che potrebbe essere possibile usare nanomotori sintetici per studiare la biologia delle cellule in una maniera del tutto nuova. Potremmo essere in grado di usare questi dispositivi per trattare il cancro e altre malattie, manipolando meccanicamente le cellule direttamente dall’interno. I nanomotori potrebbero infatti effettuare delle operazioni intracellulari e veicolare medicinali in maniera non invasiva ai tessuti vivi”

I risultati dei ricercatori verranno pubblicati il 10 febbraio 2014 su “Angewandte Chemie International Edition”. Altri co-autori, oltre Mallouk, sono i ricercatori alla Penn State Wei Wang, Sixing Li, Suzanne Ahmed e Tony Jun Huang, insieme a Lamar Mair del Weinberg Medical Physics nel Maryland in USA.

Fino ad ora, riferisce Mallouk, i nanomotori sono stati studiati solamente in “vitro” all’interno di apparecchiature di laboratorio e non in cellule umane viventi.

Già una decina di anni fa sono stati sviluppati alla Penn State alcuni nanomotori alimentati chimicamente, da un team che includeva, oltre Mallouk, anche il chimico Ayusman Sen e il fisico Vincent Crespi. “I nostri motori di prima generazione necessitavano di combustibili tossici per poter funzionare e quindi era impossibile farli muovere all’interno di fluidi biologici e quindi studiarli nelle cellule umane” dice Mallouk. “Questa limitazione è stata un serio problema”. Quando Mallouk e il fisico francese Mauricio Hoyos hanno scoperto che i nanomotori potevano essere alimentati anche da onde ultrasoniche, la porta si aprì allo studio di questi motori all’interno di sistemi viventi.

VIDEO 1

Una dimostrazione di alcuni nanotubi d’oro molto attivi, all’interno di cellule HeLa in un campo acustico. Video ripreso a 1000X di ingrandimento nel campo chiaro, con la maggiorparte della luce entrante bloccata all’apertura.

Per gli esperimenti il team ha usato cellule HeLa, una linea immortale di cellule cervicali umane usate tipicamente in studi di ricerca, che, una volta ingeriti i nanomotori, hanno permesso loro il movimento all’interno del tessuto cellulare, alimentati da onde ultra sonore. Mallouk spiega che con una bassa potenza ultrasonica i nanomotori hanno un basso effetto sulle cellule ma, una volta aumentata la potenza, questi iniziano a entrare in movimento, girando e scontrandosi negli organelli, strutture nelle quali la cellula esegue particolari funzioni.

I nanomotori possono funzionare come uno sbattivuova, omogeneizzando il contenuto della cellula oppure possono essere usati come arieti, per forare la membrana cellulare.

VIDEO2

Particelle scure interagiscono con nanotubi d’oro che ruotano, all’interno della cellula HeLa. Video ripreso a 1000X di ingrandimento nel campo chiaro, con la maggiorparte della luce entrante bloccata all’apertura.

Mentre gli impulsi ad ultrasuoni controllano sia la rotazione che ll’andamento rettilineo dei nanomotori, i ricercatori riescono a controllarli ancora meglio e farli sterzare usando forze magnetiche. Mallouk e i suoi colleghi hanno anche visto che i nanomotori possono muoversi in maniera autonoma, ossia in maniera indipendente gli uni dagli altri: una abilità importante per future interessanti applicazioni. “Un moto autonomo potrebbe aiutare i nanomotori a distruggere selettivamente le cellule da cui vengono inghiottiti”, spiega Mollouk. “Se per esempio si vuole che questi motori individuino e distruggano cellule cancerogene è meglio che si muovano in maniera indipendente, senza che tutti quanti vadano nella stessa direzione.”

VIDEO 3

Nanotubuli d’oro che si muovono lungo il bordo della membrana di una cellula HeLa.

VIDEO4

L’interazione tra i nanotubi d’oro e particelle traccianti di polistirene, e tra nanotubi d’oro e globuli rossi. Il video è stato ripreso a un ingrandimento di 500x.

L’abilità dei nanomotori di incidere su cellule viventi offre nuove promesse alla medicina, dice Mallouk.

L’applicazione che sognamo per questa tecnologia sarebbe quella di avere dei nanomotori che viaggiano all’interno del corpo, comunicando tra di loro ed eseguendo vari tipi di diagosi e terapie. Ci sono molte applicazioni per il controllo di particelle a una scala cosi piccola, e quello che ci guida è proprio capire come funzionano”.

Daniel Iversen
16 febbraio 2014


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