Деформируя клетки, исследователи могут доставлять РНК, белки и наночастицы для многих применений.
Живые клетки окружены мембраной, которая плотно регулирует то, что попадает внутрь клетки и выходит из нее. Этот барьер необходим клеткам для контроля их внутренней среды, но это затрудняет для ученых доставку больших молекул, таких как наночастицы для визуализации, или белки, которые могут перепрограммировать их в плюрипотентные стволовые клетки.
Исследователи из Массачусетского технологического института теперь нашли безопасный и эффективный способ получить крупные молекулы через клеточную мембрану, сжимая клетки через узкое сужение, которое открывает крошечные временные отверстия в мембране. Любые большие молекулы, плавающие снаружи клетки, такие как РНК, белки или наночастицы, могут скользить через мембрану во время этого разрушения.
Используя этот метод, исследователи смогли доставить перепрограммирующие белки и создать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки с вероятностью успеха в 10-100 раз лучше, чем любой существующий метод. Они также использовали его для доставки наночастиц, включая углеродные нанотрубки и квантовые точки, которые можно использовать для изображения ячеек и мониторинга того, что происходит внутри них.
«Очень полезно иметь возможность получать большие молекулы в клетки. Мы думали, что было бы интересно, если бы у вас была относительно простая система, которая могла бы поставлять множество разных соединений », – говорит Клавс Дженсен, профессор химической инженерии Уоррена К. Льюиса, профессор материаловедения и техники, а также старший автор статьи описывая новое устройство в выпуске на этой неделе в Трудах Национальной академии наук.
Роберт Лангер, профессор Института Дэвида Х. Коха в Массачусетском технологическом институте, также является старшим автором статьи. Ведущими авторами являются аспирант химического машиностроения Армон Дели, научный сотрудник Института Коха Джанет Золдан и научный сотрудник по химическому машиностроению Андреа Адамо.
Общий подход
Биологи ранее разработали несколько способов получить большие молекулы в клетки, но все они имеют недостатки. ДНК или РНК могут быть упакованы в вирусы, которые умеют проникать в клетки, но этот подход сопряжен с риском того, что часть вирусной ДНК будет интегрирована в клетку-хозяина. Этот метод обычно используется в лабораторных экспериментах, но он не был одобрен FDA для использования у пациентов с пациентами.
Другой способ проникнуть в клетку больших молекул – это пометить их коротким белком, который может проникнуть через клеточную мембрану и перетащить крупный груз вместе с ним. Альтернативно, ДНК или белки могут быть упакованы в синтетические наночастицы, которые могут проникать в клетки. Однако эти системы часто нуждаются в повторной инженерии в зависимости от типа поставляемой ячейки и материала. Кроме того, с некоторыми наночастицами большая часть материала попадает в защитные мешочки, называемые эндосомами внутри клетки, и могут быть потенциальные токсические побочные эффекты.
Электропорация, которая предполагает предоставление клеткам толчка электричества, который открывает клеточную мембрану, является более общим подходом, но может нанести ущерб как клеткам, так и доставленному материалу.
Новая система MIT работает для многих типов клеток – до сих пор исследователи успешно протестировали ее более чем с десятком типов, включая клетки человека и мыши. Он также работает в клетках, взятых непосредственно у пациентов, которые обычно гораздо труднее манипулировать, чем клеточные линии человека, выращенные специально для лабораторных исследований.
«Это, по-видимому, очень широко применимый подход для загрузки разнообразия различных соединений во множество разных ячеек, – говорит Марк Праушниц, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Georgia Tech, который не был частью исследовательской группы. «Это действительно хороший пример использования устройств из мира инженерии и микроэлектроники и их использование по-разному для решения проблем медицины, которые могут иметь действительно большое влияние».
Новое устройство основывается на предыдущей работе лабораторий Дженсена и Лангера, в которых они использовали микроинъекцию для принудительного использования больших молекул в клетках, когда они протекали через микрожидкостное устройство. Это было не так быстро, как хотелось бы исследователям, но во время этих исследований они обнаружили, что когда клетка сжимается через узкую трубку, в клеточной мембране открываются небольшие отверстия, позволяющие соседним молекулам диффундировать в клетку.
Чтобы воспользоваться этим, исследователи построили прямоугольные микрожидкостные чипы размером около четверти с 40 до 70 параллельными каналами. Клетки суспендируют в растворе с материалом, который должен доставляться и протекать через канал с высокой скоростью – около одного метра в секунду. На полпути через канал клетки проходят через сужение на 30-80% меньше диаметра клеток. Клетки не страдают от какого-либо непоправимого ущерба, и после лечения они сохраняют свои обычные функции.
Специальная доставка
Исследовательская группа в настоящее время продолжает преследовать манипуляции с стволовыми клетками, которая обещает лечить широкий спектр заболеваний. Они уже показали, что они могут трансформировать клетки фибробластов человека в плюрипотентные стволовые клетки и теперь планируют начать работу по доставке белков, необходимых для дифференциации стволовых клеток в специализированные ткани.
Другим перспективным приложением является получение квантовых точек – наночастиц из полупроводниковых металлов, которые флуоресцируют. Эти точки гарантируют маркировку отдельных белков или других молекул внутри клеток, но ученым было трудно получить их через клеточную мембрану, не попав в ловушку в эндосомах.
В статье, опубликованной в ноябре, работая с аспирантом Массачусетского технологического института Юнгмином Ли и профессором химии Моунги Бавенди, исследователи показали, что они могут получить квантовые точки внутри человеческих клеток, выращенных в лаборатории, без того, чтобы частицы не ограничивались эндосомами или не сливались вместе. Теперь они работают над тем, чтобы точки помещали в клетки определенные белки.
Исследователи также изучают возможность использования новой системы вакцинации. Теоретически ученые могли удалять иммунные клетки у пациента, запускать их через микрожидкостное устройство и подвергать их вирусному белку, а затем возвращать обратно пациенту. Внутри клетки могут спровоцировать иммунный ответ, который придавал бы иммунитет против целевого вирусного белка.
Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения и Национальным институтом рака.