Представьте себе, что вам нужно сбросить зубочистку на голову какому-то конкретному человеку, стоящему на стадионе среди 100000 других болельщиков. Это звучит как нечто невероятное, но именно такую степень точности на клеточном уровне продемонстрировали исследователи Института нанобиотехнологии (Institute for NanoBioTechnology) при Университете Джона Хопкинса (Johns Hopkins University). Работа опубликована он-лайн в Nature Nanotechnology.

Стрелка указывает на нанопроволоку, расположенную на поверхности клетки (Image: Levchenko Lab)

Чтобы доставить золотые нанопроволоки, размером в одну-две сотые доли клетки, на заранее определенные места – каждую на поверхность отдельной клетки – ученые в качестве «пинцета» используют точные электрические поля. Затем молекулы, покрывающие поверхность нанопроволок, вызывают каскад биохимических реакций, причем только в той клетке, которой касается нанопроволока, не оказывая никакого влияния на близлежащие клетки. Исследователи считают, что этот метод позволит перейти к более эффективному изучению отдельных клеток или даже их частей и в конечном итоге приведет к разработке новых технологий доставки лекарственных препаратов.

Используя новый метод, исследователи, например, могут выбрать своей мишенью клетки, имеющие признаки малигнизации (более высокую скорость деления или аномальную морфологию), не нанося никакого вреда их здоровым соседям.

«Одной из самых больших проблем в биологии клетки является возможность манипулировать окружающей клетку средой, тем более делать это максимально точно», – говорит главный исследователь Андрей Левченко (Andre Levchenko), доцент кафедры биомедицинской инженерии в Школе инженерии Вайтинга (Whiting School of Engineering) Университета Джона Хопкинса.

В предыдущих исследованиях для управления поведением клеток Левченко использовал лабораторию-на-чипе, или микрофлюидные устройства. Но, говорит он, эти методы не так точны, как хотелось бы ученым. При использовании микрофлюидного чипа изменение окружающей клетку среды оказывает влияние на все клетки.

Андрей Левченко.
Фото Вилла Кирка (Will Kirk)

Совсем к другим результатам приводит использование золотых нанопроволок, представляющих собой металлические цилиндры диаметром несколько сот нанометров. Так же как ничего не подозревающий зритель на стадионе чувствует лишь легкое прикосновение упавшей ему на голову зубочистки, клетка реагирует на молекулы, выделившиеся из покрытия нанопроволоки только в одном очень точно определенном месте – там, где нанопроволока касается ее поверхности.

В сотрудничестве с профессором физики и астрономии Школы искусств и наук Кригера (Krieger School of Arts and Sciences) Чиа-Линь Чином (Chia-Ling Chien) и профессором материаловедения и инженерии Школы Вайтинга Робертом Каммарата (Robert Cammarata) группа Андрея Левченко разработала нанопроволоку, покрытую молекулами фактора некроза опухолей-альфа (ФНО-альфа), вещества, выделяемого сенсибилизированными патогеном макрофагами, обычно называемыми белыми кровяными клетками. При определенных условиях присутствие ФНО-альфа заставляет клетки активировать гены, помогающие бороться с инфекцией. Кроме того, ФНО-альфа способен блокировать опухолевый рост и останавливать репликацию вируса.

Директор Центра материаловедения
и инженерии Университета Джона
Хопкинса Чиа-Линь Чин

Однако воздействие на организм слишком большого его количества вызывает потенциально смертельное состояние, называемое септическим шоком, уточняет Левченко.

К счастью, после выделения из покрытия проволоки на поверхность клетки ФНО-альфа остается на месте, и так как его эффект носит локальный характер, ничтожно малое количество выделенного проволокой вещества оказывается достаточным, чтобы вызвать со стороны клетки желаемый ответ. Почти то же самое происходит при выделении ФНО-альфа макрофагом.

Кроме того, покрытие из молекул ФНО-альфа придает нанопроволоке отрицательный заряд, что позволяет исследователям легче контролировать ее перемещение в ткани с помощью двух перпендикулярных электрических полей устройства-«пинцета» – метода, разработанного Донглей Фэн (Donglei Fan) как часть ее докторской диссертации по материаловедению и инженерии в Университете Джона Хопкинса.

«Электрический пинцет был первоначально разработан для сборки, перемещения и вращения нанопроволок в растворе», – говорит Каммарата. «А затем Донглей показала, как использовать «пинцет» для получения шаблонных массивов из нанопроволок, а также как создавать наномоторы и наноосцилляторы. Новая работа с группой доктора Левченко демонстрирует, насколько универсален этот метод».

Чтобы протестировать систему, ученые вырастили культуру цервикальных раковых клеток. Затем, используя перпендикулярные электрические поля, они смогли довести нанопроволоки до заранее определенного места и добиться их точной локализации.

«Таким образом, мы можем заранее определить путь, по которому будут двигаться нанопроволоки, и доставить молекулярный груз к определенной, находящейся среди множества других, клетке или даже к определенной ее части», – комментирует результаты работы Левченко.

В ходе этого исследования ученые также установили, что желаемый эффект, вызванный выделенным нанопроволокой ФНО-альфа, аналогичен тому, который клетка испытывает в живом организме.

Исследователи уже предвидят множество возможностей для использования такого метода субклеточной доставки молекул.

«Существует много способов вызвать выделение молекулы из покрытия нанопроволоки: с помощью света, химического или температурного воздействия и т.д. Более того, проволоку можно одновременно покрыть несколькими разными молекулами», – говорит Левченко.

Он добавляет, что нанопроволоки можно сделать намного меньше, но для этого исследования они были сделаны достаточно большими, чтобы видеть их в оптический микроскоп.

В конечном счете, считает Левченко, нанопроволоки станут полезным инструментом для фундаментальных исследований.

«С помощью этих проволок мы пытаемся имитировать язык, на котором клетки разговаривают друг с другом», – говорит он. «Они могут стать прекрасным инструментом как для фундаментальных, так и для прикладных исследований. Далеко вперед продвинется адресная доставка лекарственных препаратов».

Исследование финансировалось Национальным фондом науки (National Science Foundation) и Национальным институтом здравоохранения (National Institutes of Health).