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Controllo del comportamento cellulare con i magneti
Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato un mezzo per controllare le funzioni cellulari con un segnale fisico, anziché chimico. Usando un campo magnetico per mettere insieme minuscole perline mirate a particolari recettori cellulari, i ricercatori di Harvard hanno fatto sì che le cellule assorbano il calcio, quindi si fermino, quindi lo riprendano. Il loro lavoro è il primo a dimostrare che un tale livello di controllo sulle cellule è possibile. Se l'approccio può essere utilizzato con molti tipi cellulari e funzioni cellulari, potrebbe portare a una classe completamente nuova di terapie che si affidano alle cellule stesse per produrre e rilasciare farmaci.
Interruttore di cella: Le cellule immunitarie ricoperte di nanoparticelle assorbono calcio in presenza di un campo magnetico. Ogni nanoparticella misura circa 30 nanometri di diametro. In questa immagine, le cellule gialle assorbono calcio in risposta a un campo magnetico localizzato. Le cellule più lontane dal campo sono mostrate in viola e non assorbono calcio.
La ricerca, apparsa sulla rivista Nanotecnologia della natura , è stato guidato da Donald Ingber , professore di patologia alla Harvard Medical School e copresidente del Harvard Institute for Biologically Inspired Engineering . Il gruppo di Ingber ha dimostrato il suo metodo per il controllo biomagnetico utilizzando un tipo di cellula del sistema immunitario che media le reazioni allergiche. Sono state utilizzate nanoparticelle mirate con nuclei di ossido di ferro per imitare gli antigeni in vitro. Ciascuno è attaccato a una molecola che a sua volta può legarsi a un singolo recettore su una cellula immunitaria. Quando Ingber espone le cellule legate a queste particelle a un debole campo magnetico, le nanoparticelle diventano magnetiche e si uniscono, raggruppando i recettori cellulari attaccati. Questo fa sì che le cellule assorbano calcio. (Nel corpo, ciò avvierebbe una catena di eventi che porta le cellule a rilasciare istamina.) Quando il campo magnetico viene disattivato, le particelle non sono più attratte l'una dall'altra, i recettori si allontanano e l'afflusso di calcio si interrompe. .
Non è la chimica; è la vicinanza che attiva tali recettori, afferma Ingber.
L'approccio potrebbe avere un impatto di vasta portata, poiché molti importanti recettori cellulari vengono attivati in modo simile e potrebbero essere controllati utilizzando il metodo di Ingber.
Negli ultimi anni, ci si è resi conto che gli eventi fisici, non solo gli eventi chimici, sono importanti per la funzione cellulare, afferma Shu Chien , un bioingegnere presso l'Università della California, San Diego. I ricercatori hanno sondato gli effetti delle forze fisiche sulle cellule, ad esempio schiacciandole tra le piastre o tirando le sonde sulle loro superfici. Ma nessuna di queste tecniche funziona a un livello di controllo così preciso come le sfere magnetiche di Ingber, che agiscono su singole biomolecole.
Fino ad ora, non c'è stato molto controllo [sulle cellule] su questa scala, dice Larry Nagahara , project manager della Alliance for Nanotechnology in Cancer del National Cancer Institute e professore di fisica presso l'Arizona State University.
Molti farmaci, dagli anticorpi antitumorali agli ormoni, agiscono attivando i recettori cellulari. Una volta che un ormone è nel sangue, tuttavia, non è possibile accenderlo o spegnerlo. Questo dimostra che puoi accendere e spegnere il segnale e che puoi farlo istantaneamente, dice Cristoforo Chen , un bioingegnere presso l'Università della Pennsylvania. È qualcosa che è difficile da fare, ad esempio, con un anticorpo.
Ingber ha molte idee per dispositivi che potrebbero integrare il suo metodo di controllo cellulare. I pacemaker magnetici potrebbero utilizzare le cellule invece degli elettrodi per inviare impulsi elettrici al cuore. Le fabbriche di farmaci impiantabili potrebbero contenere molti gruppi di cellule, ognuna delle quali produce un farmaco diverso quando viene attivata da un segnale magnetico. Il controllo biomagnetico potrebbe portare a computer in grado di sfruttare la potenza di elaborazione delle cellule. Le cellule fanno cose complesse come l'elaborazione delle immagini molto meglio dei computer, dice Ingber. Ingber, che ha iniziato il progetto in risposta a una richiesta della Defense Advanced Research Projects Agency per nuove interfacce cellulare-macchina, riconosce che il suo lavoro è nelle sue fasi iniziali. Tra cinquant'anni, tuttavia, si aspetta che ci saranno dispositivi che si interfacciano perfettamente tra cellule viventi e macchine.
Altri ricercatori concordano. Il controllo biomagnetico di Ingber può rappresentare un nuovo meccanismo per le interfacce uomo-macchina, afferma Chien dell'UC San Diego. Ma prima che tali interfacce possano essere sviluppate, afferma l'ingegnere Chen dell'Università della Pennsylvania, i ricercatori devono imparare molto di più sulle cellule.
Diciamo che abbiamo cellule su un chip e sappiamo quale comportamento vogliamo suscitare, come far entrare una cellula staminale in un sito di ferita e iniziare le riparazioni, dice Chen. Non sappiamo quali eventi di segnalazione devono accadere per mettere la cellula nello stato giusto in modo che esegua l'azione desiderata.
A breve termine, Chen afferma che il metodo di Ingber potrebbe aiutare i biologi ad acquisire conoscenze cruciali sulla segnalazione cellulare, come il modo in cui questi segnali vengono elaborati chimicamente e fisicamente dalla cellula e come portano a risultati particolari, dall'assorbimento del calcio ai cambiamenti nell'espressione genica. . Fornisce uno strumento che ci consente di modificare la cella e vedere cosa succede, afferma Chen.