Принципиально новая система доставки в клетки ДНК и белков использует активируемые лазером углеродные наночастицы

Используя химические «нановзрывы», создающие мельчайшие отверстия в защитных мембранах клеток, ученые разработали принципиально новый метод доставки малых терапевтических молекул, белков и ДНК непосредственно в живые клетки.

1_13.jpgПоле клеток рака предстательной железы
человека после воздействия активированными
углеродными наночастицами. Большинство клеток
(показаны зеленым) – это клетки, поглотившие
модельное терапевтическое соединение кальцеин,
в то время как меньшинство (показаны красным) –
погибшие клетки. Каждая зеленая и красная
точка представляют собой отдельную клетку.
(Фото: Прерона Чакраварти)

Углеродные наночастицы, активированные вспышками лазера, вызывают крошечные взрывы, которые образуют отверстия в клеточных мембранах. Отверстия остаются открытыми достаточно долго для того, чтобы позволить терапевтическим агентам, находящимся в окружающей жидкости, попасть в клетку. Регулируя лазерное излучение, ученым удалось ввести низкомолекулярные маркерные химические соединения в 90 процентов целевых клеток, сохранив при этом живыми более 90 процентов подвергшихся воздействию клеток.

Исследование финансируется Национальным институтом здравоохранения (National Institutes of Health) и Институтом бумажной науки и технологии (Institute of Paper Science and Technology) Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology). Оно будет опубликовано в августовском номере журнала Nature Nanotechnology.

«Этот метод позволяет нам доставлять в клетки целый ряд терапевтических препаратов, которые сейчас не могут туда попасть», – говорит Марк Прауснитц (Mark Prausnitz), профессор Школы химической и биохимической инженерии (School of Chemical and Biomolecular Engineering) Технологического института Джорджии. «Одним из наиболее значимых применений этого метода может стать его использование в генной терапии, которая имеет большие перспективы в медицине, но ограничена сложностью доставки в клетки ДНК и РНК».

Работа представляет собой первое использование активации реактивных углеродных наночастиц лазерным излучением для применения в медицине. Для использования этого метода на людях потребуются дополнительные исследования и клинические испытания.

Ученые уже не одно десятилетие добиваются более эффективной доставки в клетки ДНК и РНК, используя для этого различные методы, включая введение вирусов для переноса генетического материала, покрытие ДНК и РНК химическими веществами и применение электрических полей и ультразвука, чтобы открыть клеточные мембраны. Однако предшествующие методы в основном страдают низкой эффективностью или далеко небезопасны.

Вдохновленные предыдущей работой над так называемым «фотоакустическим эффектом» Прауснитц и его коллеги Прерона Чакраварти (Prerona Chakravarty), Вэй Цянь (Wei Qian) и Мостафа Эль-Сайед (Mostafa El-Sayed) разработали метод, с помощью которого надеются добиться более точной локализации энергии на клеточных мембранах, создав таким образом более безопасный и эффективный подход к внутриклеточной доставке лекарственных препаратов.

Их метод начинается с введения частиц углеродной сажи размером 25 нанометров в диаметре в окружающую клетки жидкость, содержащую терапевтические агенты, которые должны попасть в клетки. Вспышки излучения ближнего инфракрасного диапазона фемтосекундного лазера воздействуют на жидкость со скоростью 90 миллионов импульсов в секунду. Углеродные наночастицы поглощают нагревающий их свет, в свою очередь разогревая окружающую жидкость до образования пара. Пар реагирует с углеродными наночастицами с образованием водорода и монооксида углерода.

Два газа образуют пузырек, который растет благодаря поступлению энергии лазера. При отключении лазера пузырек резко схлопывается, вызывая ударную волну, создающую отверстия в мембранах близлежащих клеток, что позволяет терапевтическим веществам из окружающей жидкости проникнуть в клетки. Отверстия закрываются очень быстро, и их образование не наносит клеткам существенного вреда.

Исследователи продемонстрировали, что, используя свой метод, они могут ввести через мембраны в клетки рака простаты человека и глиосаркомы крыс небольшие молекулы кальцеина, белок альбумин сыворотки бычьей крови и плазмидную ДНК. Поглощение кальцеина было отмечено в 90 процентах клеток при уровне лазерного облучения, оставляющем живыми более 90 процентов клеток.

«Мы смогли добиться поступления почти во все клетки молекул, которые обычно в них не попадают, и почти все клетки остались живыми», – говорит ведущий автор исследования Прерона Чакраварти. «Наша основанная на активированных лазером углеродных наночастицах система позволяет проводить контролируемые внутренние взрывы пузырьков, которые разрушают клеточные мембраны ровно насколько, чтобы молекулы могли попасть в клетки, не причиняя им при этом непоправимого вреда».

Чтобы оценить, как долго отверстия в клеточной мембране остаются открытыми, ученые удалили из жидкости условные терапевтические средства на то время, когда клетки подвергались воздействию лазера, а затем через одну секунду после прекращения его работы снова добавили химические вещества. Они не увидели почти никакого поглощения молекул, что дает основания полагать, что клеточные мембраны закрываются очень быстро.

2_9.jpgПоле клеток рака предстательной железы
человека после воздействия на них активированными
лазером углеродными наночастицами.
Мембраны клеток окрашены красным для улучшения
визуализации. Каждый из красных кружков
представляет собой отдельную клетку.
(Фото: Прерона Чакраварти)

Чтобы подтвердить, что решающим фактором образования ударных волн является реакция взаимодействия пара с углеродом, исследователи заменили углеродные наночастицы на золотые до воздействия лазером. Так как необходимый для реакции углерод отсутствовал, наночастицы золота вызвали лишь незначительное поглощение молекул клетками.

Ученые заменяли углеродные наночастицы и на углеродные нанотрубки, и также отметили незначительное поглощение молекул, что может объясняться более низкой реактивностью нанотрубок по сравнению с частицами углеродной сажи.

Дальнейшие эксперименты также показали, что введенные в клетки с помощью активируемых лазером наночастиц молекулы ДНК сохраняют свою функциональность и способны вырабатывать белки. Когда в раковые клетки была введена плазмидная ДНК, кодирующая выработку люциферазы, экспрессия фермента возросла в 17 раз.

В будущем исследователи планируют изучить возможность использования менее дорогого наносекундного лазера, чтобы заменить им сверхбыстрый фемтосекундный инструмент, использованный в исследовании. Они также собираются оптимизировать углеродные наночастицы с тем, чтобы за время воздействия лазером почти все они были использованы. Остающиеся в организме углеродные наночастицы не должны оказывать отрицательного воздействия, даже если организм может оказаться не в состоянии удалить их, отмечает Прауснитц.

Это первое исследование, доказывающее состоятельность принципа применения активируемых лазером реактивных углеродных наночастиц для доставки в клетки лекарственных препаратов и генов», – говорит ученый. «Впереди еще долгий путь до внедрения этого метода в медицину, но мы уверены, что наш подход в конечном итоге станет новой альтернативой доставки в клетки терапевтических агентов более эффективным и безопасным способом».

Аннотация к статье: Prerona Chakravarty, Wei Qian, Mostafa A. El-Sayed & Mark R. Prausnitz. Delivery of molecules into cells using carbon nanoparticles activated by femtosecond laser pulses

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (7 votes)
Источник(и):

http://gtresearchnews.gatech.edu/…-nanoblasts/



Категории статьи