Многозадачность плазмонных нанопузырьков убивает некоторые клетки и модифицирует другие

Исследователи из Университета Райса нашли способ убить некоторые больные клетки и одновременно лечить других в одном образце. Процесс, активируемый импульсом лазерного излучения, не затрагивает соседних здоровых клеток.

Уникальное использование перестраиваемых плазмонных нанопузырьков, разработанных в лаборатории Rice Дмитрия Лапотко, обещает заменить несколько сложных процессов, используемых в настоящее время для лечения больных раком, среди прочего, быстрой, простой и многофункциональной процедурой.

Исследование является в центре внимания статьи, опубликованной онлайн на этой неделе журналом Американского химического общества ACS Nano и проведенной в Рисе Лапотько, научным сотрудником и ведущей автором Екатериной Лукьяновой-Глебом и студентом-стажером Мартином Матонгой при содействии Центра Cell и Gene Therapy в Медицинском колледже Бейлора (BCM), Детской больнице Техаса и Университете штата Техас MD Cancer Center.
Плазмонные нанопузырьки, которые в 10 000 раз меньше человеческого волоса, вызывают крошечные взрывы. Пузыри образуются вокруг плазмонных наночастиц золота, которые нагреваются при возбуждении внешним источником энергии – в данном случае коротким лазерным импульсом – и испаряют тонкий слой жидкости вблизи

частица. Паровой пузырь быстро расширяется и разрушается. Лапотько и его коллеги уже обнаружили, что плазмонические нанопузырьки убивают раковые клетки, буквально взрывая их без ущерба для здоровых соседей, процесс, который показал гораздо большую точность и селективность по сравнению с теми, которые опосредованы только наночастицами золота, сказал он.

Новый проект делает эту замечательную способность еще на несколько шагов. Ряд экспериментов показал, что один лазерный импульс создает большие плазмонные нанопузырьки вокруг полых золотых наноскопов, и эти крупные нанопузырьки избирательно уничтожают нежелательные клетки. Один и тот же лазерный импульс создает меньшие нанопузырьки вокруг сплошных наносферов золота, которые пробивают крошечную временную поры в стенке ячейки и создают входящий наноструй, который быстро «вводит» наркотики или гены в другие клетки.

В своих экспериментах Лапотько и его команда размещали полые нанослеры на 60 нанометров в модельных раковых клетках и окрашивали их в красный цвет. В отдельной партии они наносят наносферы на 60 нанометров в один и тот же тип клеток и окрашивают их в синий цвет.

После суспендирования клеток вместе в зеленом флуоресцентном красителе они продували один широкий лазерный импульс в объединенном образце, вымывали зеленое пятно и проверяли клетки под микроскопом. Красные клетки с полыми наночастицами были разнесены большими плазмоническими нанопузырьками. Синие клетки были неповрежденными, но зеленая жидкость извне была втянута в клетки, где меньшие плазмонные набухания вокруг твердых наночастиц золота временно закрывали стены.

Поскольку все это происходит за долю секунды, до 10 миллиардов ячеек в минуту можно выборочно обрабатывать в проточной системе, подобной разрабатываемой в Райсе, сказал Лапотко, преподаватель кафедры биохимии и клеточной биологии, а также физике и астрономии. По его словам, у этого есть потенциал для продвижения клеточной и генной терапии и трансплантации костного мозга.

По словам Лапотко, в большинстве случаев для борьбы с болезнями и генной терапии требуется «ex vivo» – вне тела – обработка человеческих клеточных трансплантатов для устранения нежелательных (например, раковых) клеток и генетического изменения других клеток для повышения их терапевтической эффективности. «Текущая обработка клеток часто бывает медленной, дорогостоящей и трудоемкой и страдает от больших потерь клеток и низкой селективности. В идеале как элиминация, так и трансфекция (введение материалов в клетки) должны быть высокоэффективными, избирательными, быстрыми и безопасными ».

Плазмоновая нанопузырьковая технология обещает «метод одновременного использования нескольких элементов популяции клеток», – сказал Малкольм Бреннер, профессор медицины и педиатрии в BCM, и директор Центра клеточной и генной терапии BCM, который сотрудничает с рисом команда. «Например, если я хочу поместить что-то в стволовую клетку, чтобы превратить ее в другой тип клетки и в то же время убить окружающие клетки, которые могут нанести вред, когда они вернутся к пациенту, или в другое пациент – эти очень настраиваемые плазмонические нанопузырьки могут это сделать ».

Долгосрочная цель совместных усилий Райс, BCM, Техасской детской больницы и MD Anderson – улучшить результаты для пациентов с заболеваниями, лечение которых требует обработки клеток ex vivo, сказал Лапотко.

В ближайшем будущем Лапотько планирует создать прототип технологии с прицелом на тестирование с клетками человека. «Мы хотели бы, чтобы это было универсальной платформой для клеточной и генной терапии и для трансплантации стволовых клеток», – сказал он.

Работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения.