Hands and Eyes on Single-cells: Silver Nanowire Endoscopy for Intracellular Delivery and Sensing

Promovendus/a: Monica Ricci

Promotor(en): Prof. dr. Hiroshi Ujii, Prof. dr. Maurilio Sampaolesi, Prof. dr. Susana Rocha, Mevrouw Beatrice Fortuni

De heterogene essentie van het leven kan bijna op alle biologische schalen en niveaus worden waargenomen, maar het meest duidelijk is wanneer we kijken naar alle verschillende soorten die de evolutie heeft gecreëerd. Heterogeniteit is echter veel dieper in levende systemen te vinden, waar zelfs cellen van "schijnbaar identieke" populaties in feite heterogeen zijn, een breed scala aan verschillende kenmerken bezitten, en evenzo vertonen individuen binnen één soort unieke eigenschappen. Het wordt elke dag duidelijker dat het observeren en manipuleren van afzonderlijke cellen een belangrijke rol speelt bij het vormgeven van ons essentiële begrip van biologische verschijnselen en ziekten. De detectie van tumorcellen en kankerbehandeling, gentherapie en regeneratieve geneeskunde, en het ontdekken van geneesmiddelen zijn slechts enkele voorbeelden. In dit kader is de mogelijkheid om eencellige organismen aan te spreken met een hoge spatio-temporele resolutie van uitermate belang, terwijl de cel in zijn oorspronkelijke, gezonde staat blijft. Het uiteindelijke doel is om cellulaire reacties op de introductie van exogene materialen te observeren, en om biochemische gebeurtenissen in levende cellen te ontrafelen.

Een manier om eencellige organismen te ondervragen, is door middel van een techniek die zilver nanodraad endoscopie wordt genoemd. Zilveren nanodraden kunnen in en uit afzonderlijke levende cellen gebracht worden op dezelfde manier als een naald handmatig in een ravioli kan worden ingebracht. Endoscopie is afgeleid van de Griekse woorden "endo", wat "binnen" betekent, en het werkwoord "skopein", wat "kijken" betekent, en om iets van binnen te observeren is precies wat zilveren nanodraden doen. Zilveren nanodraden vinden hun weg naar de cel op een minimaal invasieve manier dankzij hun 1D-configuratie en kleine afmetingen in vergelijking met de cel afmetingen. Deze eigenschappen zorgen ervoor dat deze nanodraden uitstekende kandidaten zijn om exogeen materiaal in de cellen te brengen.

De eerste focus van dit proefschrift is daarom de ontwikkeling van een intracellulair toedieningssysteem op basis van zilveren nanodraden. De belangrijkste uitdaging hier is om de beste strategie te vinden om het materiaal op de nanodraad te laden en het snel en met hoge efficiëntie in de cel vrij te geven. De belangrijkste focus van dit onderdeel is dan ook het optimaliseren van de laad- en losstrategie. Deze uitdaging wordt aangepakt door gebruik te maken van "slimme" polymeren, genoemd naar hun slimme reacties op externe prikkels, zoals veranderingen in temperatuur, pH of licht. De studie was gericht op de levering van genetisch materiaal, dat in hoge mate wordt toegepast bij gentherapie en bij de behandeling van kanker.

De eigenaardige optische eigenschappen van zilveren nanodraden stellen ons in staat om oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing (SERS) spectroscopieanalyses uit te voeren. SERS is een krachtige techniek waarbij de interactie tussen licht en nanostructuren het mogelijk maakt moleculen te observeren en informatie te verkrijgen over hun conformatie, structuur en interacties met omringende voorwerpen. Simpel gezegd, SERS-uitkomsten kunnen worden gezien als de identiteitskaart van een molecuul.

Het proefschrift hierna richt zich daarom op de ontwikkeling van een betrouwbaar platform voor hoog gevoelige intracellulaire detectie, gebaseerd op SERS spectroscopie. De eerste belangrijke stap is een verdere verbetering van de SERS-prestaties van de zilver nanodraad endoscopische sondes. Dit is belangrijk omdat het meer toegankelijke operationele protocollen mogelijk maakt, wat zich vertaalt in een grotere veelzijdigheid. Bovendien maken de betere SERS-prestaties toepassing op echte casestudy's mogelijk, zoals blijkt uit het solide "proof of concept" dat wordt geleverd. Ten slotte betreden we de echte wereld door de intracellulaire dynamiek van antikankermedicijnen te bestuderen, aangezien dit aspect fundamenteel is bij het bedenken van nieuwe, zeer efficiënte chemotherapeutica.

De reis van dit proefschrift wordt afgesloten met perspectieven en richtingen voor toekomstige studies, met als einddoel het ontwikkelen van een "2 in 1" afleveringsdetectieplatform, klaar om te worden toegepast in de nanogeneeskunde.