Le transfert d’électrons biologiques quantiques (QBET) est une activité biologique importante qui est influencée par des facteurs de mécanique quantique tels que l’effet tunnel électronique (ET). Ce mécanisme, qui inclut la respiration cellulaire et l’homéostasie, a des applications diagnostiques et thérapeutiques.
En raison du manque d’innovation technique adaptée à l’interaction spatio-temporelle dans les interactions biologiques natives, la communication électrique-moléculaire ciblée à la demande au sein des cellules n’a pas encore été réalisée.
Dans une étude récente publiée dans Nature Nanotechnologieles chercheurs utilisent l’électricité générée par les interactions redox induites sans fil au niveau des bio-nanoantennes pour provoquer l’apoptose des cellules cancéreuses.
Étude: Signalisation quantique électro-moléculaire sans fil pour la mort induite par les cellules cancéreuses. Crédit d’image : Bord créatif/Shutterstock.com
À propos de l’étude
Des outils nano-électrochimiques sans fil ont été créés pour réguler le transport des électrons dans les cellules cancéreuses, conduisant finalement à la mort cellulaire. Dans la présente étude, des bio-nanoantennes, qui sont des nanoélectrodes bipolaires fonctionnalisées avec du cytochrome c (Cyt c) rédox-actif et de la porphyrine de zinc, un régulateur rédox, ont été développées.
Ces bio-nanoantennes peuvent recevoir un champ électrique externe (FE) à distance et le transformer en événements de bio-signalisation. En combinant des bio-nanoantennes avec des FE appliqués à courant alternatif (AC), les électrodes pourraient manipuler le transport des électrons et le transformer en mouvement moléculaire en abordant une voie métabolique particulière.
Pour les expériences, des nanoparticules d’or sphériques pégylées de 100 nm (GNP100) ont été utilisées comme nanoélectrodes bipolaires pour se connecter électriquement aux cellules au niveau moléculaire. La microscopie électronique à transmission (TEM), la diffusion dynamique de la lumière (DLS), le potentiel zêta et la caractérisation de la lumière ultraviolette-visible ont révélé que le GNP100 a été bifonctionnalisé avec succès avec r.Cyt c et Z.
Les molécules redox associées à chaque nanoparticule ont été mesurées. Le comportement rédox de r.Cyt c et Z sur un système bifonctionnalisé a été étudié par voltamétrie cyclique.
Pour étudier le potentiel des nanoantennes biologiques sur la commutation redox Cyt c régulée par un courant alternatif et un champ électrique, la relation et l’absorption des nanoantennes biologiques sur différentes cellules de glioblastome (GBM) obtenues auprès de deux patients ont été déterminées. Les astrocytes isolés du cortex humain ont été utilisés comme contrôle cellulaire non tumorigène.
La tension et la fréquence ont été ajustées en analysant les changements dans les activités métaboliques des cellules cancéreuses comme lecture préliminaire de la commutation redox Cyt c pour tester l’entrée électrique qui peut être détectée par les bio-nanoantennes intracellulaires pour générer de l’électrochimie sans fil. Pour étudier le mécanisme de la mort cellulaire, la cytométrie en flux et la microscopie confocale (CFM) ont été utilisées.
Une analyse du transcriptome sur des cellules GBM et des astrocytes corticaux sains a été réalisée pour mieux comprendre la communication moléculaire-électrique médiée au niveau des bio-nanoantennes par électrochimie sans fil.
Résultats de l’étude
Il a été découvert qu’une entrée électrique distante modulait le transport des électrons à travers les molécules rédox, entraînant ainsi un transfert d’électrons par faisceau quantique (QBET) induisant sélectivement la mort des cellules cancéreuses dérivées du patient. Les données transcriptomiques ont révélé que la bio-nanoantenne générée par un champ électrique cible spécifiquement les cellules cancéreuses, démontrant ainsi la modulation induite électriquement de la signalisation moléculaire.
AC-EF a déclenché un actionnement moléculaire via des bio-nanoantennes dans le traitement d’une maladie, ce qui indique qu’il s’agit d’un outil médical de type fonctionnel quantique. Cela pourrait faciliter le développement de produits nanopharmaceutiques quantiques et de thérapies contre le cancer, ainsi que fournir une méthode de pointe pour contrôler le métabolisme cellulaire.
Le coefficient de taux hétérogène pour le transfert d’électrons (k0) de Cyt c était de 10 x 10-3 cm/s, alors qu’elle était de 3,8 x 10-3 cm/s pour [email protected] c@Z 165. Cette observation reflète une réduction modeste du taux de transfert d’électrons Cyt c dans un système bifonctionnalisé.
Après huit heures d’incubation, une évaluation tridimensionnelle (3D) des images CFM a indiqué que les nanoantennes biologiques étaient internalisées par tous les types de cellules. Les tests PrestoBlue ont démontré que les nanoantennes biologiques étaient biocompatibles jusqu’à leur utilisation à une concentration de 100 g/mL. Les bio-nanoantennes sensibles à l’AC-EF ont provoqué l’apoptose des cellules GBM, le plus grand effet sur l’activité métabolique étant signalé à 3 MHz et avec des potentiels appliqués de 1,0 et 0,7 volts/cm, respectivement.
La réduction des activités métaboliques des cellules traitées avec [email protected] c@Z était considérablement supérieur à celui rapporté après une application de 24 heures des champs de traitement des tumeurs (TTF) autorisés par la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis. in vitro. Le changement dans les activités métaboliques des cellules traitées avec [email protected] c@Z ainsi que les FE CA de 3 MHz à 0,7 volts/cm pendant 12 heures étaient associés à une mort cellulaire accrue.
Le traitement n’a pas affecté le paysage du transcriptome astrocytaire ; cependant, il a modifié les voies de signalisation propres au GBM. Les résultats de la modélisation mathématique étaient bien adaptés aux dépendances exponentielles prévues pour ET à travers une barrière, confirmant ainsi l’idée selon laquelle les effets biologiques résonants sont observés avec les résultats d’entrée électrique dans un QBET. La diffusion par résonance plasmonique (PRS) sondant le transfert d’énergie par résonance plasmonique (PRET) a fourni des preuves expérimentales clés de l’effet tunnel quantique.
Conclusions
L’utilisation de QBET, avec la fréquence, la tension et la longueur de liaison appropriées, permet une communication électro-moléculaire. De plus, ce dispositif sans fil inspiré de l’électrochimie cible précisément les cellules cancéreuses, ce qui constitue la base des futurs diagnostics et thérapies médicales quantiques.
