أظهر الباحثون طريقة مبتكرة لنقل الجزيئات الصغيرة النشطة بيولوجيًا والبروتينات والحمض النووي مباشرة إلى داخل الخلايا الحية باستخدام "نفاثات النانو" الكيميائية، التي تخترق ثقوبًا صغيرة في الغلاف الواقي للخلايا.
تعمل جزيئات الكربون النانوية، التي يتم تنشيطها بواسطة انفجارات شعاع الليزر، على إنشاء نفاثات صغيرة، وهذه بدورها تتسبب في فتح ثقوب في غشاء الخلية لفترة زمنية كافية لإدخال المواد الطبية الموجودة في السائل خارج الخلية إلى داخل الخلية. ومن خلال ضبط وقت التعرض لشعاع الليزر، تمكن الباحثون من حقن مركب محدد صغير في تسعين بالمائة من الخلايا المستهدفة - مع الحفاظ على النشاط الصحي لأكثر من تسعين بالمائة من الخلايا.
تم نشر البحث، الذي أجري تحت رعاية المعاهد الوطنية الأمريكية للصحة (NIH ومعهد أبحاث في Georgia Tech)، في المجلة العلمية Nature Nanotechnology.
وقال مارك براوزنيتز، الأستاذ في كلية الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية في معهد جورجيا للتكنولوجيا، إن هذه الطريقة ستسمح لنا بتقديم مجموعة واسعة من المواد الطبية التي يصعب حاليًا إدخالها إلى داخل الخلايا. "أحد أهم تطبيقات هذه التكنولوجيا يمكن أن يكون في تطوير طرق الشفاء القائمة على الجينات، والتي توفر أملا كبيرا في الطب، والتي أعاق تقدمها صعوبة إدخال الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA) إلى داخل الخلايا."
ويقال أن هذه الطريقة هي الأولى من نوعها التي تستخدم تنشيط جزيئات الكربون النانوية بالليزر للتطبيقات الطبية. وستظل هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث والتجارب الطبية قبل إدخال هذه الطريقة في العلاج البشري.
على مدى عقود، حاول العلماء إدخال الحمض النووي والحمض النووي الريبي (DNA) إلى داخل الخلايا بشكل أكثر فعالية من خلال مجموعة متنوعة من الأساليب، بما في ذلك استخدام الفيروسات كوسيلة لنقل المواد الجينية، أو طلاء الحمض النووي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) بمواد كيميائية أو استخدام المجالات الكهربائية. والموجات فوق الصوتية لانشطار أغشية الخلايا. ومع ذلك، عانت هذه الأساليب من ضعف الفعالية أو مخاوف تتعلق بالسلامة البشرية.
وتبدأ الطريقة المبتكرة، المستندة إلى عمل سابق لفريق من الباحثين الذين اكتشفوا ما أطلقوا عليه التأثير الصوتي الضوئي، بإدخال جزيئات الكربون النانوية (بحجم 25 نانومتر) في السائل خارج الخلية الذي يحيط بالخلايا، والذي سيتم وضع المواد الطبية فيه. وجد. في الخطوة التالية، يتم تطبيق دفعات من الأشعة تحت الحمراء القريبة من ليزر الفيمتو ثانية على السائل بمعدل 90 مليون نبضة في الثانية.
تمتص جزيئات الكربون النانوية الطاقة ثم تسخن بعد ذلك. ثم تتسبب الجسيمات الساخنة في تسخين السائل المحيط بها وتحويله إلى بخار. يتفاعل البخار الساخن مع جزيئات الكربون النانوية لتكوين غازي الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. يشكل الغازان فقاعة تنمو بشكل أكبر طالما أنها تتلقى الطاقة من الليزر المنشط. عند إيقاف تشغيل الليزر، تنهار الفقاعة على الفور وتخلق موجة صدمية تؤدي إلى ثقب ثقوب في أغشية الخلايا المجاورة. يسمح هذا الثقب باختراق المواد الطبية الموجودة في السائل خارج الخلية إلى داخل الخلية. تنغلق الفوهات الصغيرة بسرعة وبالتالي تصبح الخلية قادرة على العيش والبقاء نشطة.
وأثبت الباحثون أنهم قادرون على حقن المادة المميزة كالسين، وبروتين الزلال في مصل الثدييات والحمض النووي البلازميد من خلال أغشية خلايا سرطان البروستاتا البشرية وخلايا الفئران المصابة بالأورام الخبيثة باستخدام الطريقة المبتكرة. تم اكتشاف امتصاص علامة الكالسين في تسعين بالمائة من الخلايا عندما تم تنشيط الليزر بمستويات أبقت تسعين بالمائة منها على قيد الحياة.
يوضح أحد الباحثين: "لقد أظهرنا أن جميع الخلايا تقريبًا قادرة على امتصاص هذه المواد، التي لا تخترق الخلية عادةً، وأن جميع الخلايا تقريبًا تظل على قيد الحياة". "إن نظامنا المكون من جسيمات الكربون النانوية، والذي يتم تنشيطه عن طريق الليزر، يسمح بانهيار متحكم فيه للفقاعات مما يؤدي إلى ثقب أغشية الخلايا إلى الحد الذي يسمح باختراق المواد دون التسبب في تلف الخلايا نفسها."
ومن أجل اختبار المدة التي تتشكل فيها الفوهات بواسطة غشاء الخلية، قام الباحثون بثقب الخلايا التي لا تحتوي على مواد طبية في بيئتها، وانتظروا ثانية واحدة بعد إيقاف تشغيل الليزر، ثم أضافوها إلى النظام. واكتشفوا أنه لم يكن من الممكن تقريبًا اختراق المواد الفعالة، مما يشير إلى أن أغشية الخلايا "تغلق" نفسها بسرعة.
ومن أجل التحقق من الفرضية القائلة بأن تفاعل التبخر لجزيئات الكربون هو العامل الحاسم في تكوين النفاثات النانوية، استبدلها الباحثون بجزيئات الذهب النانوية قبل تفعيل إشعاع الليزر. تسببت جزيئات الذهب النانوية في امتصاص قليل جدًا للمواد الفعالة، نظرًا لعدم احتوائها على الكربون اللازم للتفاعل نفسه. وبالمثل، جرب الباحثون طريقتهم الخاصة بأنابيب الكربون النانوية بدلاً من الجسيمات النانوية، وفي هذه الحالة قاموا أيضًا بقياس امتصاص قليل فقط، وذلك بسبب حقيقة أن الأنابيب النانوية أقل نشاطًا من جسيمات الكربون النانوية.
وأظهرت تجارب إضافية أن أجزاء الحمض النووي تنجح في اختراق الخلية بهذه الطريقة وتبقى نشطة فيها، وتكون قادرة على التسبب في التعبير البروتيني في الخلية. عندما تم إدخال الحمض النووي البلازميد الذي يشفر التعبير عن مادة لوسيفيراز إلى الخلايا السرطانية، زاد إنتاجه بمقدار سبعة عشر مرة من حيث الحجم.
وفي المراحل التالية من البحث، يعتزم العلماء اختبار فعالية الطريقة أيضًا باستخدام ليزر النانو ثانية، وهو أقل تكلفة من معدات الفيمتو ثانية التي يستخدمونها اليوم. كما أنهم يعتزمون تحسين جزيئات الكربون النانوية بحيث تتفاعل جميعها تقريبًا أثناء التعرض لأشعة الليزر. ويشير الباحث إلى أنه على الرغم من أنه ليس من المفترض أن تشكل هذه الجسيمات النانوية خطرا على صحة الإنسان، إلا أن الجسم قد لا يتمكن من إفرازها.
وقال الباحث: "هذه هي الدراسة الأولى على الإطلاق التي تثبت مبدأ تنشيط جزيئات الكربون النانوية باستخدام الليزر لنقل الأدوية والجينات". "لا يزال هناك طريق طويل لنقطعه قبل أن يتم استخدام هذه الطريقة في الطب اليومي، ولكننا متفائلون للغاية بأن هذا النهج يمكن، في النهاية، أن يوفر بديلاً جديدًا لنقل المواد الطبية إلى داخل الخلايا بطريقة فعالة وفعالة. بطريقة آمنة."
