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具有生物活性的纳米胶囊可劫持细胞行为

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许多疾病是由人体细胞信号通路的缺陷引起的。将来,生物活性纳米胶囊可能会成为医学上控制这些途径的有价值的工具。巴塞尔大学的研究人员朝这个方向迈出了重要的一步:他们成功地使多种不同的纳米胶囊协同工作,以放大自然的信号级联并影响细胞行为。

细胞不断地相互交流,并具有获取和处理信号的方式,类似于需要耳朵聆听声音和语言知识以处理其含义的人类。为了治疗各种疾病,控制细胞自身的信号传导途径对医学非常感兴趣。

巴塞尔大学化学系的研究团队和NCCR分子系统工程学院开发了适合于此目的的生物活性材料。为了实现这一目标,由Cornelia Palivan教授领导的研究人员将纳米材料与天然分子和细胞结合在一起。

他们现在在《ACS Nano》杂志上报告,载有酶的纳米胶囊如何进入细胞并整合到其天然信号传导过程中。通过功能性偶联几个纳米胶囊,它们能够放大天然的信号传导途径。

保护货物

为了保护酶在细胞环境中不被降解,研究小组将它们装入了聚合的小胶囊中。分子可以通过专门插入合成壁的生物孔进入隔室,并与内部的酶发生反应。

研究人员对含有不同酶的纳米胶囊进行了串联实验:第一个酶促反应的产物进入第二个胶囊,并在内部开始第二个反应。这些纳米胶囊可以持续工作数天,并积极参与哺乳动物细胞中的自然反应。

微小的扬声器和耳朵

一氧化氮(NO)是细胞接收和处理的众多信号之一。由于NO信号通路中的缺陷与心血管疾病的发生有关,而且与肌肉和视网膜营养不良有关,因此它是一种研究充分的细胞机制。该途径包括被称为一氧化氮合酶(NOS)的酶家族产生NO。然后,NO可以扩散到其他细胞,在另一种细胞中,NO被称为可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)的另一种酶感知。sGC的激活开始级联反应,调节过多的不同过程,例如平滑肌松弛和感觉细胞对光的处理等。

由Palivan领导的研究人员生产了带有NOS和sGC的胶囊,它们天然存在于细胞中,但浓度要低得多:产生NO的NOS胶囊的作用类似于扬声器,大声而清晰地“呼喊”其信号;sGC胶囊充当“耳朵”,感应并处理信号以放大响应。

使用取决于sGC作用的细胞内钙浓度作为指标,科学家表明,NOS和sGC加载胶囊的组合可使细胞更具反应性,并使细胞内钙水平增加8倍。

酶替代疗法的新策略

该研究的第一作者安德里亚·贝卢阿蒂(Andrea Belluati)博士说:“这是一种通过将纳米科学与生物分子相结合来刺激细胞生理变化的新策略。” “我们只需要将装有酶的胶囊与细胞一起孵育,它们就可以立即采取行动了”。

Cornelia Palivan补充说:“这一概念证明是酶替代疗法领域中重要步骤,酶替代疗法用于治疗诸如心血管疾病或多种营养不良等生化途径异常的疾病。”

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