生物工程學 生物技術

分子鑽頭:鑽開細胞膜

在生醫領域,藥物要如何送入細胞中是個很重要的問題,除了一般常見小分子化合物,利用擴散、胞吞、受體輔助等,也有人著手於使用物理的方式,例如電場、磁場、溫度的改變,或以超音波或光搭配藥物在細胞膜上打洞,將特定的藥物送入細胞。若能精準調控標的,更能直接破壞細胞,治療癌症。

由萊斯大學、北卡羅來納州立大學、英國杜倫大學合作的實驗中,他們使用了分子馬達來達成此目的 [1,2]。「分子馬達」正是 2016 年諾貝爾化學獎的主角,費林加(Bernard Feringa)在 1991 年首次製造出分子馬達,在紫外光照射下,分子上的轉輪可進行單方向旋轉。

這群研究者在此基礎上製造出了不同的分子馬達,其基本構造是由一個轉子(rotor)和一個定子(stator)組成,並在定子兩旁接上不同的側鏈。當他們把分子馬達和細胞混合,這些約一奈米大小的馬達會物理吸附到細胞膜上,而當馬達被紫外光照射時,會以每秒約兩三百萬轉的速度鑽破厚度約 7-8 奈米的細胞膜,除了讓藥物能透過外,也可以引發細胞壞死。

圖片說明: 圖一:(A) 分子馬達吸附在細胞膜上,在接受紫外線照射後鑽破細胞 (B) 分子馬達由轉子(紅色)、定子(藍色)與側鏈(綠色)組成 圖二:團隊測試的幾個分子馬達:3號為基本款,可以快速鑽破細胞膜破壞細胞;4號加了側鏈,會降低其效率;10號加了肽鏈,可以增加細胞選擇性。圖片來源:http://news.rice.edu/2017/08/30/motorized-molecules-drill-through-cells/

證實了分子馬達能鑽破細胞膜後,他們接著增加對特定細胞的選擇性。由於原本的結構只要看到細胞膜都會吸附上去,在實際應用時,恐怕在攻擊癌細胞前,正常細胞都已受損。因此研究者接下來在側鏈上加上短肽結構,試圖提高細胞專一性,在加入約七個胺基酸長度的側鏈後,被針對的細胞相對控制組出現專一性,但也發現側鏈越長會妨礙分子鑽頭的效率。

若這項技術要實用,首先必須克服的是細胞選擇性和效率的取捨,藉由找出最佳側鏈組合或可解決此問題。另一個難題在於,此分子是以紫外光驅動,而紫外光難以穿透身體表層,為克服此困難,研究者勢必要修改分子,使其能以近紅外光或和無線電波來驅動。不論如何,這群研究者已經起了個頭,值得期待相關後續研究。


相關影片:分子馬達加了會發螢光的側鏈,可以清楚看到其鑽破細胞膜並進入細胞
http://www.nature.com/nature/journal/v548/n7669/fig_tab/nature23657_SV3.html

參考資料:

  1. García-López, V., Chen, F., Nilewski, L. G., Duret, G., Aliyan, A., Kolomeisky, A. B., … Tour, J. M. (2017). Molecular machines open cell membranes. Nature. 2017 Aug 30;548(7669):567-572., 548(7669), 567-572. doi: 10.1038/nature23657
  2. Motorized molecules drill through cells: Nanomachines constructed to deliver drugs, destroy diseased cells. (2018, September 6). Retrieved from https://www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170830132217.htm

撰文│威佑

About the author

紀威佑

紀威佑

臺大醫學系畢業,曾為臺大iGEM代表隊成員,曾於台大、中研院、AMC實驗室進行實習。對科普推廣與寫作有很大的興趣,希望能和志同道合的朋友交流,並做為知識的傳播者為科學社群盡一份心力。