Nanorör är porten till cellens inre

De senaste åren har en rad biotekniker som baseras på att sända in nytt material i celler utvecklats. Ett omskrivet exempel är gensaxen CRISPR som har använts för att modifiera gener, och som F&F tidigare har skrivit om bland annat 2016 och 2018. Ett annat exempel är immunterapi mot cancer, där patientens egna T-celler ändras genetiskt så de kan söka upp och döda tumörceller, så kallad CAR-T-cellsbehandling. 

Den gemensamma nämnaren är att nya molekyler eller nytt genetiskt material behöver föras in i cellen, och de båda metoder som hittills har använts – så kallad elektroporering, eller att använda virus – har sina respektive problem, enligt Martin Hjort, fysiker och forskare inom kemisk biologi inriktning läkemedelsutveckling och NanoLund, Lunds Universitet.

– Vid elektroporering används en stark elektrisk puls för att öppna upp cellernas membran, så att det nya materialet kommer in, men här skadas cellerna ofta allvarligt. Om man istället låter virus föra in materialet så finns risken att dessa ger upphov till att cellerna börjar dela sig ohejdbart, så att det uppstår leukemier många år senare, säger han. 

Nanosugrör skonsamma mot cellerna

Här kan istället så kallade nano-sugrör vara en framkomlig väg. Dessa består av aluminiumoxid och är 1–3 mikrometer långa och har en diameter på 100–200 nanometer. I tidigare studier, publicerade i tidskriften PNAS, hade Martin Hjort använt sådana rör för att suga ut material ur celler under sina postdoc-studier vid Stanford University i Kalifornien.

– Det som var fascinerande var att cellerna överlevde och fungerade som vanligt trots att vi med hjälp av nanorören sög ut material upprepade gånger. Det gav mig idén att göra tvärtom och istället se om det gick att med hjälp av nanorör föra in material i cellerna, säger han.

Vid Lunds universitet började han samarbeta med stamcellsforskaren professor Jonas Larsson och dennes doktorand Ludwig Schmiderer, som bidrog med medicinsk kompetens och material från navelsträngsblod, så kallade blodstamceller, som är de celler som ger upphov till alla blodceller i kroppen.

Blodstamceller gavs nya molekyler

Med en helt ny metod visar de nu att det går att föra in allt från pyttesmå molekyler och långa sockerkedjor till genetiskt material i blodstamceller, utan att cellerna skadas (se grafik). Här placeras cellerna ovanpå nanosugrören och när kärlet centrifugeras försiktigt i tre minuter så tränger rören igenom deras yttre membran. En mild elektrisk ström snabbar på överföringen.

– Om man bara skulle låta lösningen med molekylerna diffundera in i cellerna skulle det ta åtta timmar, men med en svag elektrisk puls – tusen gånger lägre än vad som används vid elektroporering – så går det på tio sekunder, säger Martin Hjort.

I studien som nu publiceras i tidskriften PNAS för de experimentellt in små molekyler av propiumjodid och stora kedjor av sockerarten dextran. De senare är märkta med grönt fluorescerande protein, GFP, vilket innebär att de celler som tagit upp sockerkedjorna lyser i grönt. På så vis gick det att se att uppemot 80 procent av cellerna som genomgick behandlingen också tog upp sockerkedjorna.

Viktigt att cellerna hittar till benmärgen

Även genetiskt material i form av mRNA med koden för GFP kunde på samma vis föras in i cellerna. När mRNA förts in i cellerna tillverkade de som förväntat GFP. I nästa steg transplanterade forskarna de modifierade cellerna till möss där det gick att se att cellerna hittade till och satte sig i benmärgen lika bra som blodstamceller som inte genomgått någon behandling. Att blodstamceller kan söka sig till benmärgens hålrum är, enligt Martin Hjort, avgörande för deras förmåga att bygga upp nya blodkroppar. Samtidigt transplanterades också elektroporerade celler.

– Resultatet var bara hälften så många celler i benmärgen, trots att lika många levande celler transplanterades. Det var tydligt att en skonsam metod såsom nanorören inte bara håller cellerna levande, utan dessutom bibehåller deras funktion, säger han.

Biologiskt användbar metod

Metoden för att föra in molekyler kallar forskarna för CeNT som står för ”Centrifugation enhanced Nanostraw Transfection”, på svenska ungefär ”centrifugerings-förstärkt nanorörstransfektion”. Att det går att föra in så pass stora molekyler som dextrankedjorna har betydelse för metodens användning. Sockerkedjorna har en vikt på 2 mega Dalton (Dalton är ett speciellt viktmått som används för proteiner).

– Som jämförelse kan nämnas att det protein man vill få in i celler när man använder gensaxen CRISPR har vikten 200 kDa, och är alltså en tiondel så stort, säger Martin Hjort.

Experimenten som nu gjorts visar att själva metoden fungerar väl.

– I nästa steg vill vi prova att föra in material som också svarar på en biologisk frågeställning, säger Martin Hjort.

Här är tanken att försöka genetiskt modifiera sjuka blodstamceller för att ta bort en sjukdomsframkallande gen, med hjälp av just CRISPR-metoden.

– Här är vi på planeringsstadiet, men hoppas kunna komma igång nu till hösten, säger Martin Hjort.