图片来源:Texas A&M University
德州农工大学生物医学工程系的科学家们正在开发新的方法来推进再生医学和癌症治疗领域。他们正在开发一种比一根头发还要薄1000倍的二维纳米薄片。
Akhilesh Gaharwar博士已经开发了一种新的二维纳米薄片,叫做二硫化钼(molybdenum disulfide),它可以吸附近红外(NIR)光并改变细胞行为。这些纳米薄片是一种新兴的材料,由于其独特的形状和尺寸显示出独特的物理和化学性质。
最近,一些纳米薄片由于其光响应能力而被开发用于生物医学应用。尽管潜力巨大,但Gaharwar的研究进入了一个新的领域,因为很少有研究研究它们的细胞相容性,也没有研究探索它们利用光调节细胞功能的能力。
为了探索通过光来控制细胞反应的可能性,Gaharwar的研究小组合成了一种原子级薄的纳米薄片,它可以吸附近红外光并将其转化为热量。与其它类型的光(包括紫外线和可见光)相比,近红外光可以穿透组织的深处,并可用于刺激深层组织的自然生物修复机制。
由于纳米薄片的高表面积,它们可以粘附在细胞外膜上,将细胞信号传输到细胞核,从而控制细胞行为。一些纳米薄片也会被细胞吞噬,并从内部影响细胞功能。
Gaharwar说:“光响应生物材料在开发下一代无创、精确和可控的医疗设备方面具有强大的潜力,这些医疗设备用于一系列生物医学应用,包括药物传递、癌症治疗、再生医学和3D打印。”
这一研究于5月27日发表在《美国国家科学院院刊》上,题目为“Photothermal modulation of human stem cells using light-responsive 2D nanomaterials”,利用光响应二维纳米材料对人体干细胞进行光热调制。
在与德州农工大学健康科学中心分子和细胞医学系助理教授Irtisha Singh博士的合作中,Gaharwar的团队使用下一代测序技术来破译光和/或纳米薄片对细胞基因调控的影响。把细胞看做一张空白的画布,而基因调控则是把画布变成独特或有趣作品的颜料。对于干细胞来说,这意味着要确定它们是什么类型的细胞,比如肌肉、骨骼等等。光或这些纳米薄片对基因表达的轻微影响,可以显著影响这些细胞的运动、繁殖和表达等功能。
细胞的整体基因表达谱显示,纳米薄片的光刺激对细胞迁移和伤口愈合有显著影响。他们证明了用纳米薄片和光处理过的癌细胞不能自由移动,这是一个好消息。当癌症在体内从一个组织转移到另一个组织时,这一点很重要。纳米薄片与光的结合可能为控制和调节细胞迁移和功能提供新的方法。
研究小组发现,这些纳米薄片与细胞表面的受体结合,这种受体被称为整合素(整联蛋白),是一种附着糖的简单蛋白质。这些整合素蛋白通过向细胞提供周围环境的信息,在正常的细胞功能中发挥重要作用。如果这些蛋白质被纳米薄片覆盖,它们就不能告诉细胞移动,从而有效地无限期地阻止细胞移动。
近年来,可注射的生物材料、医疗设备和工程组织作为诊断、治疗和再生医学的微创植入物已经引起了广泛关注。
聚合物超薄薄膜,通常被称为聚合物纳米薄片,由于其灵活性和一致性,是注射式生物医学设备常用的平台之一。这些纳米薄片厚度不到1微米,比一根头发还薄。它们是一种很有前途的针注射给药平台。
尽管最近在使用聚乳酸(PLA)和聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)的纳米片技术方面取得了进展,但聚合物纳米片仍需克服几个技术难题才能用作有效的可注射平台:即,限制纳米薄片的尺寸通过医用针头注射;次优机械鲁棒性(例如,注射过程中的撕裂)以及注射后形状恢复和运动控制的有限控制。
2019年,来自新加坡科技与设计大学数字制造与设计中心的研究人员使用基于聚氨酯的形状记忆聚合物(SMP)和磁性纳米颗粒(MNP)开发了纳米薄片,展示了处理纳米薄片前所未有的能力。
SMP提供了两种独特的机械特性:一种是温度变化导致杨氏模量发生巨大变化,另一种是形状记忆效应(SME),可以恢复记忆的形状。
此外,研究人员还证明了用MNP使制备的SMP纳米片具有磁性,可以使用外部磁场进行非接触运动控制。具体来说,使用710nm厚、玻璃化转变温度(Tg)为25℃的纳米薄片,可以证明以下四种能力:医用针的注射器注射性、弹射后的自膨胀性、生物表面的一致性和可移动性、外部磁场的导向性。
考虑到可以通过注射器注射的方式将分子药物或细胞结构植入内部器官,研究人员在MNP-SMP纳米薄片上添加了一层PLGA,以扩展其作为分子和细胞药物载体的功能。PLGA是一种用于药物传递的生物材料。这可以在不影响已证明的能力的情况下实现。SMP和MNP为含有额外PLGA层的纳米片提供了同样的能力,表明已开发的纳米片在药物和细胞传递方面具有巨大潜力。
编译/前瞻经济学人APP资讯组
原文资料:
https://phys.org/news/2020-06-cells-nanosheets-cancer-treatment.html
https://www.pnas.org/content/early/2020/05/26/1914345117
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