Only Perception: 首度在活細胞內受控制的奈米馬達

2014-02-13

首度在活細胞內受控制的奈米馬達

Nanomotors are controlled, for the first time, inside living cells
http://news.psu.edu/story/303296/2014/02/10/research/nanomotors-are-controlled-first-time-inside-living-cells

By Krista Weidner
February 10, 2014

UNIVERSITY PARK, Pa. -- 美國賓州州立大學的化學與工程團隊，有史以來第一次將合成馬達（synthetic motors）置入活生生的人類細胞內，以超音波推進同時以磁性來操控它們。雖然那並不是真的像電影《聯合縮小軍／Fantastic Voyage》那樣，不過很接近了。這種奈米馬達（nanomotors，在本文中翻成「奈米動機」似乎更恰當），那是火箭形的金屬粒子，在細胞內四處移動、轉動以及撞擊細胞膜。

"當這些奈米馬達四處移動並撞到細胞內部的結構時，活細胞展現出前所未見的內部機械性回應，" Tom Mallouk 說，Evan Pugh 材料化學與物理學教授。"這項研究是個活生生的證明：利用合成奈米馬達，以新方法來研究細胞生物學是有可能的事。我們也許能利用奈米馬達，從細胞內部以機械性的方式來操縱細胞，治療癌症與其他疾病。奈米馬達可進行內部手術，同時以非侵入性方式將藥物遞送到活的肝組織。"

直到目前為止，Mallouk 說，奈米馬達僅在實驗設備的「試管內」被研究過，而非活生生的人類細胞內。以化學方式提供動力的奈米馬達，在十年前首度由賓州大的團隊開發出來，那除了 Mallouk 之外，還包括化學家 Ayusman Sen 與物理學家 Vincent Crespi。

"我們第一代的馬達需要有毒的「燃料」而且它們無法在生物液體中移動，所以我們無法在人類細胞中研究它們，" Mallouk 說。"那項限制是個嚴重的問題。" 當 Mallouk 與法國物理學家 Mauricio Hoyos 發現，奈米馬達能以超音波提供動力時，在活體系統內研究馬達的大門打開了。

為了他們的實驗，研究者利用 HeLa 細胞，一種不死的人類惡性癌細胞株，那通常用於學術研究中。這些細胞攝入奈米馬達，那接著由超音波提供動力，在細胞組織內到處移動。Mallouk 解釋，在低超音波功率下，奈米馬達對於細胞的影響很小。但是當功率增加時，奈米馬達開始旋轉、到處移動與撞擊胞器（細胞內的結構，能完成特定功能）。奈米馬達可當成打蛋器，將細胞內容物均質化，或著可作為「攻城器」穿刺細胞膜。

除了超聲波脈衝控制奈米馬達是否到處旋轉或是否向前移動之外，研究者還能使用磁力來更進一步操控它們。Mallouk 等人也發現，奈米馬達能自主移動 -- 彼此獨立 -- 這種能力對於未來應用十分重要。

"自主移動能幫助奈米馬達選擇性地摧毀吞噬它們的細胞，" Mallouk 說。"例如，如果你想要這些馬達尋找並摧毀癌細胞，最好能使它們獨立移動。你不想要讓它們全部蜂湧到某個方向。"

Mallouk 提到，奈米馬達影響活細胞的能力對醫療來說前途無量。

"我們其中一個夢想是「聯合縮小軍」般的醫療，在此，奈米馬達能在體內四處巡弋，彼此通訊並完成各種診斷與治療。在這種小尺度下控制粒子，將有許多應用，而理解那如何作用正是驅使我們的力量。"

研究者的發現將於二月十日發表在二月號的 Angewandte Chemie International Edition 期刊上。除了 Mallouk 之外，研究者包括賓州大的 Wei Wang、Sixing Li、Suzanne Ahmed 與 Tony Jun Huang，以及馬里蘭州 Weinberg Medical Physics 的 Lamar Mair。這項研究由 NSF（MRSECgrant DMR-0820404）、NIH、Huck Innovative and Transformative Seed Fund (HITS) 與賓州州政府。

※ 相關報導：

＊ Acoustic Propulsion of Nanorod Motors Inside Living Cells
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201309629/abstract

Prof. Wei Wang, Sixing Li, Dr. Lamar Mair, Suzanne Ahmed,
Prof. Tony Jun Huang, Prof. Thomas E. Mallouk.
Angewandte Chemie International Edition (2014)
doi: 10.1002/anie.201309629