Een onderzoeker van Mason Engineering heeft ontdekt dat kunstmatige microzwemmers zich opstapelen waar hun snelheid wordt geminimaliseerd, een idee dat gevolgen zou kunnen hebben voor het verbeteren van de effectiviteit van gerichte kankertherapie.

Jeff Moran, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Volgenau School of Engineering, en collega's van de Universiteit van Washington in Seattle bestudeerden zelfrijdende half-platina / half-gouden staven die in water 'zwemmen' met waterstofperoxide als brandstof. Hoe meer peroxide er is, hoe sneller het zwemmen; zonder peroxide in zuiver water zwemmen de hengels niet.

In dit werk wilden ze begrijpen wat er gebeurt als deze kunstmatige microzwemmers in een vloeistofreservoir worden geplaatst met een gradiënt van waterstofperoxide - veel peroxide aan de ene kant, niet veel aan de andere kant.

Ze ontdekten dat de microzwemmers, voorspelbaar, sneller zwommen in regio's met een hoge peroxideconcentratie, zegt Moran, wiens onderzoek werd gepubliceerd in de nieuwe uitgave van Wetenschappelijke rapporten.

Zoals anderen hadden opgemerkt, varieerde de zwemrichting willekeurig in de tijd terwijl de zwemmers hun omgeving verkenden. Daarentegen vertraagden de staafjes in de gebieden met een lage concentratie en verzamelden zich in deze gebieden in de loop van een paar minuten.

De resultaten suggereren een eenvoudige strategie om microzwemmers passief te laten accumuleren in specifieke regio's, een idee dat nuttige, praktische toepassingen kan hebben, zegt hij.

Zwemmen op microscopische schaal is een alomtegenwoordig fenomeen in de biologie, zegt Moran. "Veel cellen en micro-organismen, zoals bacteriën, kunnen autonoom naar hogere of lagere concentraties chemicaliën zwemmen die de cel ten goede komen of schaden."

Dit gedrag wordt chemotaxis genoemd, en het is zowel gebruikelijk als belangrijk, zegt hij. "Uw immuuncellen gebruiken bijvoorbeeld chemotaxis om letselplekken te detecteren en ernaar te zwemmen, zodat ze weefselherstel kunnen starten."

Moran en zijn collega's zijn, net als anderen in het veld, al lang nieuwsgierig of kunstmatige microzwemmers cellen kunnen nabootsen door chemotaxis uit te voeren, waarbij ze continu naar hogere chemische concentraties zwemmen. Sommigen hadden beweerd dat met name de platina / goudstaven autonoom naar peroxide-rijke gebieden konden zwemmen.

"We waren sceptisch over deze beweringen, aangezien de staafjes niet leven en daarom niet de detectie- en reactiemogelijkheden hebben die cellen nodig hebben om dit gedrag uit te voeren", zegt hij.

“In plaats daarvan vonden we het tegenovergestelde: de staafjes opgebouwd in de lagere concentratiegebieden. Dit is het tegenovergestelde van wat je van chemotaxis zou verwachten, ”zegt Moran.

De onderzoekers voerden computersimulaties uit die dit voorspelden en valideerden ze met experimenten, zegt hij.

“We stellen een eenvoudige verklaring voor dit gedrag voor: waar ze ook zijn, de hengels bewegen in willekeurig verschillende richtingen en verkennen hun omgeving. Als ze in een regio met een laag brandstofverbruik aankomen, kunnen ze niet zo krachtig verkennen. In zekere zin komen ze vast te zitten in hun comfortzones ”, zegt Moran.

“Omgekeerd bewegen ze zich in gebieden met een hoog peroxidegehalte met hogere snelheden en, omdat hun richting voortdurend verandert, ontsnappen ze vaker uit deze gebieden. Na verloop van tijd is het nettoresultaat dat staafjes zich ophopen in gebieden met een lage concentratie ”, zegt hij. 'Ze hebben geen enkele intelligentie. Ze komen terecht waar hun mobiliteit het laagst is. "

Moran zegt dat dit onderzoek technisch veelbelovend is, omdat het een nieuwe strategie suggereert om chemicaliën te laten ophopen in een zeer zuur gebied.

“Door hun abnormale metabolische processen zorgen kankercellen ervoor dat hun directe omgeving zuur wordt. Dit zijn de cellen die de meeste medicijnen nodig hebben, omdat bekend is dat de zure omgeving metastase bevordert en resistentie tegen medicijnen verleent. De cellen in deze regio's zijn dus een belangrijk doelwit van veel kankertherapieën. "

Moran en zijn collega's ontwerpen nu microzwemmers die langzaam bewegen in zure streken en snel in neutrale of basale streken. Door het mechanisme dat ze hier ontdekten, veronderstellen ze dat zuurafhankelijke zwemmers zich bij voorkeur zullen opstapelen en hun lading vrijgeven daar waar hun snelheid geminimaliseerd wordt, namelijk de meest zure en hypoxische gebieden van de tumor, waar de meest problematische cellen zich bevinden.

Er moet nog veel meer onderzoek worden gedaan, maar "deze staafjes kunnen de mogelijkheid hebben om medicijnen voor chemotherapie af te geven aan de kankercellen die ze het meest nodig hebben", zegt Moran.

“Voor alle duidelijkheid, onze studie bewijst niet dat chemotaxis onmogelijk is bij kunstmatige microzwemmers, punt uit; alleen dat deze specifieke microzwemmers geen chemotaxis ondergaan.

“In plaats daarvan hebben we een elegant eenvoudige methode gevonden om ongeleide microzwemmers te laten accumuleren en medicijnen af ​​te geven aan de meest problematische kankercellen, wat gevolgen zou kunnen hebben voor de behandeling van veel kankers, evenals andere ziekten zoals fibrose. We zijn verheugd om te zien waar dit naartoe gaat. "

###