Nanokontejneri mogu transportirati tvari u stanice gdje zatim mogu djelovati. Ovo je metoda koja se koristi, na primjer, u mRNA cjepivima koja se trenutno koriste protiv Covid-19, kao i u nekim lijekovima protiv raka. U istraživanju se slični transporteri također mogu koristiti za isporuku označenih tvari u stanice radi proučavanja osnovnih staničnih funkcija. Kako bi iskoristili svoj puni potencijal, znanstvenici provode intenzivno istraživanje o tome kako nanokontejneri stupaju u interakciju s biološkim okruženjem i kako ih je potrebno kemijski konstruirati da isporuče tvari u stanice na najnježniji i najkontroliraniji način.
Znanstvenici sa Sveučilišta u Münsteru nedavno su razvili novu vrstu nanospremnika koji je u potpunosti izgrađen od bioloških komponenti. Za razliku od drugih “prijevoznika” tvari, oni se ne temelje na lipidima, već na spojevima šećera koji su zatvoreni ljuskom proteinskih struktura – takozvanih polipeptida – čija je debljina precizno prilagođena. “Sastavnice naših nanokontejnera proizvodimo sintetički, ali ih preuzimaju stanice i – zbog cjelokupne strukture koju smo razvili – također ih razgrađuju kao i tvari u prirodi”, objašnjava kemičar prof. Bart Jan Ravoo. “Za razgradnju omotača spremnika unutar stanice koristimo dva prirodna mehanizma – zbog toga se transportirane tvari brzo oslobađaju, čim stignu u stanicu”, dodaje biokemičar prof. Volker Gerke.
Znanstvenici žele upotrijebiti male nanokontejnere, promjera oko 150 nanometara, za punjenje stanica označenim biološki relevantnim lipidima koji se mogu koristiti za proučavanje transportnih procesa koji se odvijaju unutar stanične membrane. Osim toga, planiraju daljnji razvoj kemijskog dizajna kontejnera na način da ih, na primjer, preuzimaju samo određene vrste stanica ili oslobađaju svoj teret samo kad ih stimulira vanjsko svjetlo. U budućnosti bi transportni sustavi izgrađeni od šećera i proteinskih komponenti također mogli biti prikladni za primjenu u živim organizmima za isporuku lijekova posebno u određena tkiva i stanice. Studija je objavljena u časopisu Advanced Science.
Bioinspirirani materijali sami se organiziraju, tvoreći kontejnere za prijevoz tereta
Za sintezu novih transportera tereta, znanstvenici su koristili šećerne spojeve (modificirane ciklodekstrine) koji su po strukturi – a time i ponašanju – slični određenim lipidima koji se prirodno nalaze u svakoj stanici. Slično kao i lipidi zaštitne stanične membrane, strukture šećera raspoređuju se same, tvoreći ljusku u koju zatvaraju tvari za transport. Međutim, budući da je rezultirajući spremnik još uvijek nepropusan i s vremenom bi izgubio teret, znanstvenici su dodali proteinske strukture (polipeptide) koje tvore brtveni sloj oko kontejnera. “Kako bismo provjerili koliko je brtveni sloj trebao biti debeo, promijenili smo duljinu peptidnih sekvenci i prilagodili ih tako da spremnici stabilno inkapsuliraju njihov teret”, objašnjava Sharafudheen Pottanam Chali, doktorandica kemije i jedan od dva vodeća autora studije .
Nanokontejneri koji koriste prirodni put do stanica
U sljedećem koraku, znanstvenici su istraživali jesu li i kako novorazvijene nanokontejnere apsorbirale stanice. Njihova je hipoteza bila da se to događa putem takozvane endocitoze. U tom procesu stanice internaliziraju dio svoje stanične membrane i odvajaju ga, stvarajući male vezikule zvane endosomi u kojima se izvanstanični materijal transportira u stanicu. Kako bi to provjerili, znanstvenici su upotrijebili šećerni spoj (dekstran) za koji je poznato da ga apsorbira endocitoza. Oni su svoje stanične kulture tretirali crvenim fluorescentnim dekstranom, a istovremeno su dodavali nanospremnike napunjene zelenim fluorescentnim teretom (piranin). “U fluorescentnom mikroskopu postalo je vidljivo da su obje tvari podjednako unesene u stanice i da se njihova fluorescencija vidljivo preklapa – stoga smo mogli zaključiti da su nanočestice, baš kao i dekstran, stanice učinkovito apsorbirale putem endosomalnog transporta proces “. Znanstvenici su to potvrdili za dvije različite vrste stanica – stanice ljudskih krvnih žila i stanice raka.
Ljuska spremnika razgrađena je enzimima u staničnim endosomima
Uvjeti unutar endosoma razlikuju se od stanja staničnog okruženja, o čemu su znanstvenici već razmišljali prilikom projektiranja svojih nanosudionica. Kontejneri su konstruirani na takav način da promijenjena okolina u endosomima destabilizira i djelomično razgrađuje polipeptidnu ljusku – nanospremnici tako postaju nepropusni i ispuštaju svoj teret u unutrašnjost stanice. “Kada se spremnici preuzmu u endosome, dolaze u obzir dvije vrste enzima za koje smo znali da su prisutni u endosomima i koji mogu pridonijeti razgradnji ljuske na određenim mjestima”, objašnjava Sergej Kudruk. “Takozvane reduktaze degradiraju disulfidne mostove koji su prethodno uspostavljeni da umreže molekule peptida naših nanokontejnera – osim toga, peptidaze same cijepaju molekule peptida”, dodaje Sharafudheen Pottanam Chali. Znanstvenici su također testirali razgradivost ljuske spremnika izvan stanice. Da bi to učinili, napunili su spremnike fluorescentnom bojom i simulirali dio složenog endosomalnog mikrookoliša pomoću enzima tripsina, kao i redukcijskih sredstava. Nakon tretmana, boja je odmah iscurila.
