机动分子钻穿细胞破坏病变细胞

由光驱动的电动分子已被用于在单个细胞的膜中钻孔，并且显示出将治疗剂带入细胞或直接诱导细胞死亡的希望。Rice，Durham(英国)和北卡罗来纳州立大学的研究人员在实验室测试中证明了单分子纳米机器中的转子如何被紫外线激活，以每秒2-3百万转的速度旋转，并在细胞中打开膜。

研究人员使用的电机基于诺贝尔奖获得者Bernard Feringa的工作，他在2016年获得了化学奖。电机本身就是一个类似桨状的原子链，当被提供能量时，它可以被提示向单一方向移动。作为细胞靶向分子的一部分适当地安装，当通过光源激活时，可以使马达旋转。

本周在自然界详细介绍的工作由化学家James Tour of Rice，Durham的Robert Pal和北卡罗来纳州的Gufeng Wang领导。他们的实验室合作创造了几种可以置于特定细胞中的电动分子，他们观察了用光激活电机时会发生什么。

巡回实验室之前展示了分子马达，当被紫外线激活时，如果没有特别指导，它们在溶液中的扩散得到增强。转子需要每秒旋转2到3兆赫-2到300万次 - 以显示它们可以克服相邻分子所呈现的障碍并超过自然布朗运动。

“我们认为有可能将这些纳米机器连接到细胞膜上，然后将它们打开以查看发生的情况，”Tour说。只有约纳米宽的电机可以设计成目标，然后通过细胞的脂质双层膜隧道输送药物或其他有效负载或破坏8-10纳米宽的膜，从而杀死细胞。他说，它们还可以用于溶解度和荧光跟踪功能化。

“这些纳米机器非常小，我们可以在人类头发的直径上停放50,000个，但它们的目标和驱动组件结合在一个小型包装中，使分子机器成为治疗疾病的现实，”Tour说。

Rice实验室创造了10种变体，包括几种大小的运动轴承分子和设计用于靶向特定细胞死亡的携带肽的纳米机器，以及与其他纳米机器相同但没有马达的对照分子。

Wang实验室首次成功测试了机动分子打开合成脂质双层囊泡的能力，使染色的溶液进入内部。接下来，他们将载有染料的分子马达捕获在囊泡内，用紫外线激活它们，看着荧光染料褪色，这表明马达已穿过囊泡壁。

研究人员发现，电机穿过膜需要至少一分钟。“细胞不太可能产生对分子机械作用的抵抗力，”Tour说。

帕尔预计纳米机器将有助于针对抵抗现有化疗的乳腺肿瘤和黑色素瘤等癌症。“一旦开发出来，这种方法可以为非侵袭性癌症治疗提供潜在的改变，并大大提高全球的生存率和患者福利，”他说。

达勒姆的Pal实验室测试了活细胞上的马达，包括人类前列腺癌细胞。实验表明，没有紫外线触发，马达可以定位感兴趣的特定细胞，但留在目标细胞的表面，无法钻入细胞。然而，当被触发时，马达快速穿过膜。

Pal说，设计用于靶向前列腺癌细胞的测试电机从外部突破了它们的膜，并在激活后的一到三分钟内将它们杀死。在活化后几分钟内，细胞的视频显示出增加的起泡 - 膜的鼓泡。

较小的分子马达更难以跟踪，但证明在紫外线激活后快速进入细胞，破坏其膜并杀死它们更好。据研究人员称，无电机控制分子在紫外线照射下无法杀死细胞，这消除了紫外线的热吸收作为破坏的原因。

他们预计转子最终可能被双光子吸收，近红外光或射频激活，这将使该技术更适用于体内治疗;这将为建立新颖，简单且具有成本效益的光动力疗法铺平道路。

“研究人员已经开始进行微生物和小鱼的实验，以探索体内疗效，”Tour说。“希望能迅速将这一点转移到啮齿动物身上，以测试纳米机器对各种药物治疗的疗效。”