Zellchirurgie mittels Nanotechnologie
Die zellulare Biotechnologie nutzt Engineering-Methoden, um biologische Systeme zu untersuchen und zu studieren. Dies erfordert oft das Aufbrechen von Organellen in lebenden Zellen oder Gewebe, ohne die Lebensfähigkeit der Zelle oder des Organismus zu stören oder nachteilig zu beeinträchtigen. Um den technologischen Herausforderungen bei Untersuchungen auf mikroskopischer Ebene gerecht zu werden, haben Forscher ultraschnelle Lasertechnologie und nanowissenschaftliche Technologien eingesetzt. Das von der EU finanzierte Projekt LIGHT2NANOGENE (Cellular bioengineering by plasmonic enhanced laser nanosurgery) optimierte eine neuartige Technik für die Nanochirurgie an lebenden Zellen: die plasmonisch verbesserte Laser-Nanochirurgie, um exogenes Material durch die Membran von Brustkrebsstammzellen einzuführen. Der Ansatz bestand darin, die Expression der wichtigsten Gene, die am aggressiven Verhalten dieser Zellen beteiligt sind, zu unterdrücken und Brustkrebsmetastasen zu reduzieren. Die LIGHT2NANOGENE-Methode kombinierte Plasmonika und ultraschnelle Laser für die Nano-Chirurgie mit hohem Durchsatz, während eine in das Nanochirurgie-Tool integrierte optische Faser In-vivo-Anwendungen ermöglichte. Die Forscher entwickelten erstmals eine fortschrittliche Bildgebungsmethode für das Studium ultraschneller Laser-Nanopartikel-Wechselwirkungen und Nanoblasen. Abgesehen von der Erkennung ermöglichte die neu entwickelte Technik die Charakterisierung dieser Träger dynamischer Energie. Die für einzelne Nanopartikel gesammelten Daten dienten dazu, ein theoretisches Modell zur Optimierung der Eigenschaften von Nanoblasen für biomedizinische Anwendungen zu erstellen. Gold-Nanopartikel erzeugten stark beschränkte und vorübergehende Nanoblasen, was darauf hinweist, dass sie mit minimaler Zytotoxizität und Immunogenität in vivo eingesetzt werden können. Kombiniert mit multipler Pulsbestrahlung führten diese Nanoblasen zu einer effizienten Perforation der Membran menschlicher Brustkrebszellen. Die Wissenschaftler erreichten fast 80% Perforationseffizienz mit weniger als 10% Zytotoxizität. Gold-Nanopartikel funktionierten auch auf der Gewebeebene, wo sie Nanokavitation induzierten und intakt blieben. Das optische faserbasierte, tragbare und kostengünstige Lasersystem von LIGHT2NANOGENE eignet sich ideal für die Nano-Chirurgie. Der kombinierte Einsatz von Laserbestrahlung und Nanopartikeln hilft Wissenschaftlern, die Anwendungen der Zell-Biotechnologie sowohl für die Forschung als auch für therapeutische Zwecke zu erweitern.
Schlüsselbegriffe
Nano-Chirurgie, LIGHT2NANOGENE, Brustkrebsstammzellen, Nanoblase, Gold-Nanopartikel
