Τα ηλεκτρικά πεδία των κυττάρων κρατούν μακριά τα νανοσωματίδια

Τα ηλεκτρικά πεδία των κυττάρων κρατούν μακριά τα νανοσωματίδια

Χρονική σήμανση: 23 Ιανουαρίου 2024 1:16 μ.μ.
Κόμβος πηγής: 3081008
23 Ιανουαρίου 2024

(Ειδήσεις Nanowerk) Οι ταπεινές μεμβράνες που περικλείουν τα κύτταρά μας έχουν μια εκπληκτική υπερδύναμη: Μπορούν να απωθήσουν μόρια μεγέθους νανο που τυχαίνει να τις πλησιάζουν. Μια ομάδα που περιλαμβάνει επιστήμονες στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) έχει καταλάβει γιατί, χρησιμοποιώντας τεχνητές μεμβράνες που μιμούνται τη συμπεριφορά των φυσικών. Η ανακάλυψή τους θα μπορούσε να κάνει τη διαφορά στον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζουμε τις πολλές φαρμακευτικές θεραπείες που στοχεύουν τα κύτταρά μας.

Βασικές τακτικές

  • Οι φορτισμένες μεμβράνες που υπάρχουν μέσα και γύρω από τα ζωντανά κύτταρα απωθούν έντονα εισερχόμενα σωματίδια μεγέθους νανομέτρων — ειδικά σωματίδια με ελάχιστο ή καθόλου ηλεκτρικό φορτίο.
  • Το έντονο ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργούν οι μεμβράνες, μαζί με το πυκνό πλήθος μικρών φορτισμένων μορίων που έλκει το πεδίο, δημιουργούν αυτή την απωστική δύναμη.
  • Η θεμελιώδης ανακάλυψη θα μπορούσε να έχει συνέπειες για το σχεδιασμό και την παροχή φαρμακευτικών θεραπειών, οι οποίες συχνά χτίζονται γύρω από μόρια νανο-μεγέθους που στοχεύουν μεμβράνες.
    • Οι κυτταρικές μεμβράνες δημιουργούν ισχυρές κλίσεις ηλεκτρικού πεδίου που είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνες για την απώθηση σωματιδίων νανο-μεγέθους όπως πρωτεΐνες από την επιφάνεια του κυττάρου Οι κυτταρικές μεμβράνες δημιουργούν ισχυρές διαβαθμίσεις ηλεκτρικού πεδίου που είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνες για την απώθηση σωματιδίων νανο-μεγέθους όπως πρωτεΐνες από την επιφάνεια του κυττάρου - μια απώθηση που επηρεάζει σημαντικά τα αφόρτιστα νανοσωματίδια. Σε αυτό το σχηματικό σχέδιο, μια αρνητικά φορτισμένη μεμβράνη (στο επάνω μέρος, με κόκκινο χρώμα) προσελκύει μικρά, θετικά φορτισμένα μόρια (μωβ κύκλοι), τα οποία συνωστίζονται στη μεμβράνη και απομακρύνουν ένα πολύ μεγαλύτερο, ουδέτερο νανοσωματίδιο (ροζ). (Εικόνα: N. Hanacek/NIST)

    Η έρευνα

    Τα ευρήματα της ομάδας, τα οποία εμφανίζονται στο Εφημερίδα της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), επιβεβαιώνουν ότι τα ισχυρά ηλεκτρικά πεδία που δημιουργούν οι κυτταρικές μεμβράνες είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνα για την απώθηση των σωματιδίων νανοκλίμακας από την επιφάνεια του κυττάρου. Αυτή η απώθηση επηρεάζει σημαντικά τα ουδέτερα, αφόρτιστα νανοσωματίδια, εν μέρει επειδή τα μικρότερα, φορτισμένα μόρια που έλκει το ηλεκτρικό πεδίο, πλήττουν τη μεμβράνη και απομακρύνουν τα μεγαλύτερα σωματίδια. Δεδομένου ότι πολλές θεραπείες φαρμάκων χτίζονται γύρω από πρωτεΐνες και άλλα σωματίδια νανοκλίμακας που στοχεύουν τη μεμβράνη, η απώθηση θα μπορούσε να παίξει ρόλο στην αποτελεσματικότητα των θεραπειών. Τα ευρήματα παρέχουν την πρώτη άμεση απόδειξη ότι τα ηλεκτρικά πεδία είναι υπεύθυνα για την απώθηση. Σύμφωνα με τον David Hoogerheide του NIST, το αποτέλεσμα αξίζει μεγαλύτερη προσοχή από την επιστημονική κοινότητα. «Αυτή η απώθηση, μαζί με το σχετικό συνωστισμό που ασκούν τα μικρότερα μόρια, είναι πιθανό να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στον τρόπο με τον οποίο τα μόρια με ασθενές φορτίο αλληλεπιδρούν με βιολογικές μεμβράνες και άλλες φορτισμένες επιφάνειες», δήλωσε ο Hoogerheide, ένας φυσικός στο NIST Center for Neutron. Research (NCNR) και ένας από τους συγγραφείς της εργασίας. «Αυτό έχει συνέπειες για το σχεδιασμό και την παράδοση του φαρμάκου και για τη συμπεριφορά των σωματιδίων σε πολυσύχναστα περιβάλλοντα σε κλίμακα νανομέτρων». Οι μεμβράνες σχηματίζουν όρια σε σχεδόν όλα τα είδη κυττάρων. Όχι μόνο ένα κύτταρο έχει μια εξωτερική μεμβράνη που περιέχει και προστατεύει το εσωτερικό, αλλά συχνά υπάρχουν και άλλες μεμβράνες μέσα, που αποτελούν μέρη οργανιδίων όπως τα μιτοχόνδρια και η συσκευή Golgi. Η κατανόηση των μεμβρανών είναι σημαντική για την ιατρική επιστήμη, κυρίως επειδή οι πρωτεΐνες που βρίσκονται στην κυτταρική μεμβράνη είναι συχνοί στόχοι φαρμάκων. Μερικές μεμβρανικές πρωτεΐνες είναι σαν πύλες που ρυθμίζουν τι εισέρχεται και βγαίνει από το κύτταρο. Η περιοχή κοντά σε αυτές τις μεμβράνες μπορεί να είναι ένα πολυσύχναστο μέρος. Χιλιάδες τύποι διαφορετικών μορίων συνωστίζονται μεταξύ τους και την κυτταρική μεμβράνη — και όπως γνωρίζει όποιος έχει προσπαθήσει να περάσει μέσα από ένα πλήθος, μπορεί να είναι δύσκολο να το κάνουμε. Τα μικρότερα μόρια όπως τα άλατα κινούνται με σχετική ευκολία επειδή μπορούν να χωρέσουν σε πιο στενά σημεία, αλλά τα μεγαλύτερα μόρια, όπως οι πρωτεΐνες, είναι περιορισμένα στις κινήσεις τους. Αυτό το είδος μοριακού συνωστισμού έχει γίνει ένα πολύ ενεργό θέμα επιστημονικής έρευνας, είπε ο Hoogerheide, επειδή παίζει πραγματικό ρόλο στον τρόπο λειτουργίας του κυττάρου. Το πώς συμπεριφέρεται ένα κύτταρο εξαρτάται από τη λεπτή αλληλεπίδραση των συστατικών σε αυτή την κυτταρική «σούπα». Τώρα, φαίνεται ότι η κυτταρική μεμβράνη μπορεί να έχει επίσης ένα αποτέλεσμα, ταξινομώντας τα μόρια κοντά στον εαυτό της κατά μέγεθος και φορτίο. «Πώς ο συνωστισμός επηρεάζει το κύτταρο και τη συμπεριφορά του;» αυτός είπε. «Πώς, για παράδειγμα, τα μόρια αυτής της σούπας ταξινομούνται μέσα στο κύτταρο, καθιστώντας μερικά από αυτά διαθέσιμα για βιολογικές λειτουργίες, αλλά όχι άλλα; Το αποτέλεσμα της μεμβράνης θα μπορούσε να κάνει τη διαφορά». Ενώ οι ερευνητές χρησιμοποιούν συνήθως ηλεκτρικά πεδία για να μετακινήσουν και να διαχωρίσουν μόρια - μια τεχνική που ονομάζεται διηλεκτροφόρηση - οι επιστήμονες έχουν δώσει ελάχιστη προσοχή σε αυτό το φαινόμενο σε νανοκλίμακα επειδή απαιτούνται εξαιρετικά ισχυρά πεδία για να μετακινηθούν τα νανοσωματίδια. Αλλά ισχυρά πεδία είναι ακριβώς αυτό που παράγει μια ηλεκτρικά φορτισμένη μεμβράνη. «Το ηλεκτρικό πεδίο ακριβώς κοντά σε μια μεμβράνη σε ένα αλμυρό διάλυμα όπως το σώμα μας παράγει μπορεί να είναι εκπληκτικά ισχυρό», είπε ο Hoogerheide. «Η δύναμή του πέφτει γρήγορα με την απόσταση, δημιουργώντας μεγάλες κλίσεις πεδίου που πιστεύαμε ότι θα μπορούσαν να απωθούν τα κοντινά σωματίδια. Έτσι χρησιμοποιήσαμε δέσμες νετρονίων για να το εξετάσουμε». Τα νετρόνια μπορούν να διακρίνουν μεταξύ διαφορετικών ισοτόπων υδρογόνου και η ομάδα σχεδίασε πειράματα που διερεύνησαν την επίδραση μιας μεμβράνης σε κοντινά μόρια του PEG, ενός πολυμερούς που σχηματίζει σωματίδια νανο-μεγέθους χωρίς φορτίο. Το υδρογόνο είναι ένα κύριο συστατικό του PEG και βυθίζοντας τη μεμβράνη και το PEG σε ένα διάλυμα βαρέος νερού - το οποίο είναι φτιαγμένο με δευτέριο στη θέση των ατόμων υδρογόνου του συνηθισμένου νερού - η ομάδα θα μπορούσε να μετρήσει πόσο κοντά τα σωματίδια PEG πλησίασαν τη μεμβράνη. Χρησιμοποίησαν μια τεχνική γνωστή ως ανακλασομετρία νετρονίων στο NCNR καθώς και όργανα στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge. Μαζί με τις προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, τα πειράματα αποκάλυψαν την πρώτη απόδειξη ότι οι ισχυρές κλίσεις πεδίου των μεμβρανών ήταν ο ένοχος πίσω από την απώθηση: Τα μόρια PEG απωθούνταν πιο έντονα από φορτισμένες επιφάνειες παρά από ουδέτερες επιφάνειες. Αν και τα ευρήματα δεν αποκαλύπτουν καμία θεμελιωδώς νέα φυσική, είπε ο Hoogerheide, δείχνουν πολύ γνωστή φυσική σε ένα απροσδόκητο μέρος, και αυτό θα πρέπει να ενθαρρύνει τους επιστήμονες να το προσέξουν - και να το εξερευνήσουν περαιτέρω. «Πρέπει να το προσθέσουμε αυτό στην κατανόησή μας για το πώς αλληλεπιδρούν τα πράγματα σε νανοκλίμακα», είπε. «Έχουμε αποδείξει τη δύναμη και τη σημασία αυτής της αλληλεπίδρασης.

    Σφραγίδα ώρας:

    Περισσότερα από Νανοχόκ