ВЫПУСК 61

«Наношприцы» из нанопроволок решают проблему доставки веществ внутрь клетки

Многие эксперименты в биологии базируются на различных манипуляциях с клетками, например, добавлении гена, белка или другой молекулы для изучения их воздействия на клетку. Но введение молекулы в клетку очень напоминает взятие крепости. Оно часто основывается на биологических «трюках», таких как инфицирование клетки вирусом или присоединение одного белка к другому, способному «протащить» первый через клеточную мембрану. Многие из таких методов специфичны для определенных типов клеток или работают только с конкретными молекулами. Статья в Proceedings of the National Academy of Sciences предлагает удивительно простую альтернативу: использование для введения в клетку молекул химических веществ кремниевых нанопроволок (nanowires) в качестве инъекционных игл.

Автор разработки Хонкан Парк (Hongkun Park), профессор химии и физики из Гарвардского университета (Harvard University), считает, что теоретически «можно ввести почти любую молекулу в почти любую клетку». Если метод подтвердит свою эффективность, это значительно увеличит возможности манипуляций с клетками в различных областях, включая перепрограммирование стволовых клеток и скрининг лекарственных препаратов.

В лаборатории Парка недавно было открыто, что клетки без видимого для них вреда можно выращивать на подложке с вертикальными кремниевыми нанопроволоками. Клетки, растущие на подложке, достигают нанопроволок и под действием силы тяжести примерно через час оказываются проколотыми крошечными шипами. При этом, даже находясь на подложке с иглами, клетки продолжают нормально расти и делиться. Это дает возможность прямого взаимодействия с внутренней средой клетки через нанопроволоки. «Поскольку у нас теперь есть прямой физический доступ, мы можем вводить молекулы в клетки без ограничений, свойственных существующим сейчас методикам», - говорит Парк. Он добавляет, что, хотя в его лаборатории не наблюдали каких-либо негативных последствий от введения нанопроволок, необходимы дальнейшие исследования вопроса, не будут ли затронуты важные аспекты поведение клеток.

Для использования нанопроволок в качестве шприцев для введения молекул в лаборатории Парка сначала обработали проволоки химическим веществом, способным относительно легко связываться с их поверхностью, а затем покрыли проволоки теми молекулами или их комбинациями, которые собирались ввести в клетку. Когда клетки были «посажены» на нанопроволоки, молекулы были выделены в их внутреннюю среду. Химическая обработка нанопроволок потенциально может быть использована для контроля над связыванием и высвобождением молекул – например, обеспечить их более медленное выделение, а нанопроволоки могут быть различной длины, что даст возможность достичь разных частей клетки. Чтобы продемонстрировать гибкость метода, ученые уже ввели маленькие молекулы РНК, ДНК и белки в целый ряд типов клеток.

На подложках с нанопроволоками могут быть созданы микрочипы, удобные для проведения быстрых экспериментов и получения микроскопических изображений клеток. На такие микрочипы можно нанести различные шаблоны молекулярных комбинаций, делая возможным одновременное тестирование многих молекул на одном клеточном образце. Авторы исследования считают, что вполне возможно работать с 20000 различных белков или других химических веществ одновременно.

Специалист в области вычислительной биологии из Broad Institute (Кэмбридж, Массачусетс) Авив Регев (Aviv Regev) говорит, что, впервые услышав об этом методе, она подумала: «Это, совершенно очевидно, имеет огромный потенциал». Регев поясняет, что воздействие на клетки путем введения в них молекул становится в биологии все более популярным методом. И хотя это кажется простой задачей, «в действительности это серьезное препятствие в систематической работе». В идеале метод доставки должен быть контролируем, позволять проводить широкое тестирование и не наносить вреда клеткам. Нанопроволоки, как представляется, удовлетворяют всем этим условиям и «вот почему это так перспективно».

Торстен Шлегер (Thorsten Schlaeger), специалист по стволовым клеткам из Бостонской детской больницы (Children's Hospital Boston), изучает возможности нового подхода в области перепрограммирования стволовых клеток. Его лаборатория занимается перепрограммированием эмбриональных и индуцированных плюрипотентных клеток в стволовые клетки крови – такие, как находятся в красном костном мозге. В настоящее время такая задача решается путем инфицирования клетки вирусом, внедряющим новые гены в ее ДНК, и, по мнению Шлегера, «сейчас этому нет никакой альтернативы». Группа Шлегера ищет более эффективные методы манипуляций с клетками, а также возможности обнаружения в стволовых клетках таких факторов, с помощью которых один их тип можно превратить в другой. «Пока трудно сказать, чего мы сможем достичь, так как метод совсем новый, но он представляет несомненный интерес», - говорит Шлегер.

Оригинал статьи

Needling Molecules

Ученые провели количественный анализ взаимодействия наночастиц с белками крови

Исследовательская группа из Национального института стандартов и техноологии (National Institute of Standards and Technology – NIST) провела количественный анализ взаимодействия наночастиц золота с важными белками, находящимися в человеческой крови – подход, который может оказаться полезным для развития методов нанотерапии и для лучшего понимания физической сути токсичности определенных наночастиц.

Наночастицы перспективны в качестве средств доставки лекарственных препаратов, диагностических медицинских инструментов и как средства лечения рака. Наночастицы золота, сферы диаметром от 5 до 100 миллиардных долей метра, представляют особую ценность, так как существует множество способов «функционализировать» их металлическую поверхность путем присоединения к ней молекул, способных решать в организме самые различные задачи. Однако лечение требует введения в кровь больного большого количества наночастиц, и это может представлять опасность, если возможно непредвиденное взаимодействие частиц с организмом.

Специалист в области материаловедения из NIST Джек Дуглас (Jack Douglas) главной проблемой наномедицины считает тенденцию к прилипанию к наночастицам циркулирующих в крови белков. «Покрытые белками наночастицы в общем случае будут изменять свое взаимодействие с организмом, и можно ожидать, что они вызовут дополнительные изменения химической активности белков», - говорит Дуглас. «Белковое покрытие может вызвать образование крупных агрегатов из наночастиц, что может спровоцировать мощный иммунный ответ организма. Конечно, этого необходимо избежать».

Ученые плохо понимают такие взаимодействия, и группа из NIST решила исследовать, что происходит, если наночастицы разных размеров встречаются с пятью наиболее распространенных белков крови. С помощью микроскопов и спектроскопических приборов они установили несколько наиболее общих схем таких взаимодействий. «Когда белок присоединяется к наночастице, изменяются оптические свойства как частиц, так и белков», - говорит Дуглас. «Измерение этих изменений помогает нам провести количественный анализ способности наночастиц к соединению с белками, толщину адсорбированного белкового слоя и стремление частиц к образованию агрегатов в связи с образовавшимися слоями белка».

Если говорить более конкретно, то ученые узнали, что все пять белков соединяются с золотом, что приводит к образованию агрегатов, и что увеличение диаметра сферы увеличивает способность наночастиц к их взаимодействию с белками. Они также обнаружили, что агрегация наночастиц приводит к изменению формы белков – «что обычно сопровождается и изменением их функции», говорит Дуглас.

Агрегация наночастиц не всегда приводит к токсическим эффектам, но может сказаться на том, достигнут ли наночастицы с лекарственными препаратами намеченной цели. «Суть заключается в том, что такие взаимодействия по большей части объясняются существованием белковых слоев», - говорит он. «Нам нужно кое-что знать об этих белковых слоях, если мы хотим знать, что наночастицы собираются делать в организме».

Дуглас считает, что предстоит еще очень много работы в области количественного анализа взаимодействия наночастиц с биологическими средами. «Мы, например, еще не понимаем, как частицы разного размера соединяются с мембранами клеток, хотя во многих случаях именно там происходят лекарственные взаимодействия».

Оригинал статьи

Scientists Quantify Nanoparticle-Protein Interactions