Các phân tử động cơ khoan qua tế bào, tiêu hủy tế bào bệnh

Các phân tử động cơ nhắm mục tiêu các tế bào bệnh có thể phân phối thuốc hoặc giết các tế bào bằng cách khoan vào màng tế bào. Hình minh hoạ cho thấy một phân tử có động cơ ngồi trên đỉnh một màng tế bào (trái) và các phân tử kích hoạt bằng ánh sáng cực tím khoan vào màng đôi (phải)

Các phân tử động cơ điều khiển bằng ánh sáng được sử dụng để khoan lỗ trong màng của các tế bào riêng lẻ và cho thấy hứa hẹn cho việc đưa các hóa chất điều trị vào các tế bào hoặc trực tiếp gây ra sự chết của tế bào.

Các nhà nghiên cứu tại các trường đại học Rice, Durham (U.K.) và North Carolina State đã chứng minh trong các bài kiểm tra trong phòng thí nghiệm về việc các cánh quạt trong máy nano hạt đơn có thể được kích hoạt bằng ánh sáng cực tím để quay ở mức 2 đến 3 triệu vòng / giây và mở màng trong tế bào

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng động cơ dựa trên công trình của nhà Nobel Bernard Feringa, người đã giành được giải thưởng về hóa học vào năm 2016. Động cơ chính của nó là một chuỗi các nguyên tử giống như kiểu phao có thể định hướng di chuyển theo một hướng khi nó được cung cấp năng lượng. Được gắn đúng như một phần của phân tử mục tiêu di động, động cơ  được tạo ra có thể quay khi được kích hoạt bằng nguồn sáng.

Công trình nghiên cứu chi tiết đăng trên Tạp chí Nature  bời nhà hóa học Robert Pal thuộc đại học Rice và Gufeng Wang thuộc North Carolina State . Phòng thí nghiệm của họ đã hợp tác để tạo ra một số phân tử  động cơ mà có thể xâm nhập vào  các tế bào cụ thể và họ quan sát điều gì sẽ xảy ra khi chúng kích hoạt động cơ bằng ánh sáng

Các phòng thí nghiệm Tour trước đây đã chứng minh động cơ phân tử có sự khuếch tán trong một dung dịch được tăng cường, nếu không được định hướng đặc biệt, khi kích hoạt bằng ánh sáng cực tím. Các rotor cần quay khoảng từ 2 đến 3 megahertz-2 đến 3 triệu lần mỗi giây để cho thấy chúng có thể vượt qua những trở ngại do các phân tử lân cận đưa ra và vượt xa chuyển động Browni tự nhiên.

Tour cho biết: "Chúng tôi nghĩ rằng có thể gắn những máy nano này vào màng tế bào và sau đó bật chúng lên để xem điều gì đã xảy ra. Các động cơ, chỉ rộng khoảng 1 nanomet, có thể được thiết kế để nhắm vào mục tiêu và sau đó hoặc là tạo đường hầm qua màng bilayer lipid của tế bào để phân phối thuốc hoặc là các tải trọng khác hoặc phá vỡ màng 8-10 nanomet, do đó  sẽ giết chết tế bào. Chúng  cũng có thể được chức năng hóa để hòa tan và để theo dõi huỳnh quang, ông nói.

Những chiếc máy nano này quá nhỏ đến nỗi chúng tôi có thể đậu 50.000 chiếc trên đường kính của một sợi tóc người, nhưng chúng có các bộ phận nhắm mục tiêu và vận hành kết hợp trong gói nhỏ gọn để làm cho các máy móc phân tử trở thành hiện thực trong điều trị bệnh ", Tour nói.

Phòng thí nghiệm của Rice đã tạo ra 10 biến thể, bao gồm các phân tử mang động cơ với nhiều kích cỡ khác nhau và máy nano mang theo chuỗi peptide được thiết kế để nhắm mục tiêu các tế bào cụ thể cho sự chết, cũng như các phân tử kiểm soát giống hệt với các máy nano khác nhưng không có động cơ.

Phòng thí nghiệm Wang lần đầu tiên kiểm tra thành công khả năng của phân tử động cơ trong việc mở một túi niêm mạc lipid tổng hợp, cho phép dung dịch nhuộm vào bên trong. Tiếp theo, chúng giữ các động cơ phân tử mang chất nhuộm trong khoang, kích hoạt chúng với ánh sáng cực tím và theo dõi khi thuốc nhuộm huỳnh quang nhạt màu, điều này cho thây động cơ đâm xuyên qua thành mạch.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy phải mất ít nhất một phút để động cơ đi vào đường hầm xuyên qua màng. Tour cho biết: "Rất khó cho một tế bào có khả năng chống lại hoạt động cơ học của phân tử này

Các phân tử động cơ nhắm đến các tế bào bệnh có thể đưa thuốc đến hoặc giết các tế bào bằng cách khoan vào màng tế bào. Các nhà khoa học tại Đại học Rice, Durham (U.K.) và North Carolina State đã chứng minh khả năng của chúng trên tế bào ung thư và các tế bào khác. 

Pal hy vọng máy nano sẽ giúp xác định ung thư như các khối u vú và u ác tính chống lại hóa trị liệu hiện này. Ông nói: "Khi phát triển, cách tiếp cận này có thể là một bước thay đổi tiềm năng trong điều trị ung thư không xâm lấn và cải thiện đáng kể tỷ lệ sống sót và sức khoẻ của bệnh nhân trên toàn cầu".

Phòng thí nghiệm Pal ở Durham đã kiểm tra động cơ trên các tế bào sống, bao gồm các tế bào ung thư tiền liệt tuyến ở người. Các thí nghiệm cho thấy nếu không có kích hoạt tia cực tím, động cơ có thể xác định được các tế bào đặc biệt quan tâm nhưng vẫn ở trên bề mặt của các tế bào đích và không thể khoan xuyên vào các tế bào. Tuy nhiên, khi kích hoạt, động cơ đã nhanh chóng khoan qua màng.

Các động cơ thử nghiệm được thiết kế để nhắm tới các tế bào ung thư tuyến tiền liệt đã phá vỡ màng tế bào từ bên ngoài và giết chết chúng trong vòng một đến ba phút kích hoạt, Pal nói. Video của các tế bào cho thấy sự hình thành các bọt  tế bào chất trên  màng trong vòng vài phút sau khi kích hoạt.     

Các động cơ phân tử nhỏ hơn khó theo dõi nhưng đã chứng minh chúng hoạt động tốt khi vào tế bào nhanh chóng sau khi được  kích hoạt tia cực tím, phá vỡ màng tế bào và giết chúng. Theo các nhà nghiên cứu, các phân tử kiểm soát không có động cơ không thể giết các tế bào khi  loại bỏ sự hấp thụ nhiệt của ánh sáng cực tím như là nguyên nhân của sự gián đoạn.

Họ mong đợi các rotor cuối cùng có thể được kích hoạt bởi sự hấp thụ hai photon, ánh sáng hồng ngoại gần hoặc tần số vô tuyến điện, làm cho kỹ thuật này trở nên hữu hiệu hơn trong điều trị in-vivo; điều này sẽ mở đường cho việc thiết lập liệu pháp photodynamic mới lạ, dễ dàng và hiệu quả về chi phí.

Các nhà nghiên cứu đang tiến hành thử nghiệm trong các vi sinh vật và cá nhỏ để khám phá hiệu quả in-vivo", Tour nói. "Hy vọng là di chuyển nhanh chóng đến gặm nhấm để kiểm tra hiệu quả của máy nano cho một loạt các liệu pháp dược phẩm".

Bùi Anh Xuân theo Phys.org