Американские ученые заслали «наношпионов» в ядро клетки

Биоинженеры из Университета Дьюка (Duke University) не только нашли способ, как «провести» молекулы-шпионы через стенки отдельных клеток, но и добились того, чтобы они проникали в командный центр клетки – ее ядро. Их «нановолки» в овечьей шкуре способны передавать оттуда важную информацию и доставлять в ядро полезные грузы.

Используя наночастицы серебра, покрытые белком вируса ВИЧ, имеющего поразительную способность проникать в клетки человека, ученые продемонстрировали, что их можно доставить в ядро, а затем обнаружить слабые световые сигналы, подаваемые «шпионами».

Чтобы работа наношпионов была эффективной, им нужно не только пройти первую линию защиты клетки – клеточную мембрану – но и попасть в ее ядро.

Туан Во-Динх (Tuan Vo-Dinh), слева, и Молли Грегас (Molly Gregas). (Credit: Duke University)

Конечной целью является наиболее раннее обнаружение процесса, в ходе которого генетический материал клетки становиться аномальным, что приводит к целому ряду заболеваний, в том числе к раку.

Результаты исследования также подтверждают, что наночастицы-«шпионы» могут доставлять непосредственно в ядро лекарственные препараты или другие полезные грузы.

«Новый метод проникновения в ядро, дающий точное представление о том, что в нем происходит, имеет явные преимущества перед другими существующими в настоящее время методами», - говорит Молли Грегас (Molly Gregas), аспирант лаборатории почетного профессора кафедры биомедицинской инженерии, профессора кафедры химии Туан Во-Динха (Tuan Vo-Dinh), директора Института фотоники Фитцпатрика (The Fitzpatrick Institute for Photonics) при Школе инженерии Пратта (Pratt School of Engineering) Университета Дьюка.

«Возможность доставлять такие наночастицы в ядро клетки и собирать информацию, используя свет, потенциально может быть использована для селективного лечения заболеваний», - говорит Грегас. «Мы предполагаем, что этот подход поможет и ученым, так как они стараются лучше понять, что происходит внутри ядра клетки».

Ученые сообщили о своих результатах в целой серии статей, в том числе в последнем номере журнала Nanomedicine, доступном он-лайн. Исследование финансируется Национальным институтом здравоохранения (National Institutes of Health) США.

Ученые связали мельчайшие частицы серебра, металла, который не отторгается клетками и эффективно отражает свет, с небольшим количеством белка вируса ВИЧ, ответственного за крайне высокую способность вируса к проникновению в клетку и ее ядро. В этом случае исследователи использовали только способность ВИЧ преодолевать защиту клетки, избавившись от его свойства подавлять генетические механизмы клетки и вызывать заболевание.

«Эта комбинация позволяет использовать преимущества небольшого размера наночастицы и «инструкций» по проникновению в клетку белка вируса ВИЧ», - объясняет Грегас. «Если мы сможем доставить наночастицу в ядро, у нас появится много вариантов ее использования. Можно, например, доставить в ядро какой-либо полезный груз и затем наблюдать за вызываемыми им эффектами».

Для этого используется давно известный оптический метод – поверхностно-усиленное рамановское рассеяние (surface-enhanced Raman scattering - SERS), применяемый уже в течение четырех десятилетий. Здесь он используется как чувствительный метод визуализации, способный подтвердить, что наночастицы и их груз успешно проникли в ядро.

Когда свет, как правило, от лазера, освещает образец, молекула-мишень колеблется и рассеивает свой собственный свет с уникальным спектром, часто рассматриваемый как рамановское рассеяние. Однако этот ответ очень слаб. Если же молекула-мишень связана с металлической наночастицей, ответ многократно усиливается SERS-эффектом - часто более чем в миллион раз.

В начале 80-х годов, в Национальной лаборатории Оук Ридж (Oak Ridge National Laboratory) в Теннесси, Во-Динх и его коллеги были одними из первых, кто продемонстрировал, что SERS может найти практическое применение для определения химических веществ, включая канцерогены, соединения, загрязняющие окружающую среду, и ранние маркеры заболеваний. В Университете Дьюка Во-Динх расширил границы применения метода SERS для обнаружения веществ в области биомедицины и молекулярной визуализации.

«Нашей конечной целью является разработка наноразмерной системы доставки, способной оставлять связанный с ней груз – в данном случае наночастиц с другими связанными с ними веществами – в клетки для повышения эффективности лекарственной терапии», - говорит Во-Динх. «Теоретически, можно «загрузить» такие наночастицы многими представляющими для нас интерес веществами – например, нанозондами для генов рака – и доставить их в ядро клетки. Это даст нам предупреждающий сигнал о болезни на самой ранней стадии ее развития и возможность раньше начать лечение».

Текущие эксперименты проводятся на живых клетках. Новые эксперименты будут сосредоточены на применении этого подхода на животных моделях, чтобы определить, как он работает в сложных живых системах.

По материалам

Sneaking Spies Into A Cell's Nucleus

Аннотация к статье: Molly K. Gregas, Fei Yan, Jonathan Scaffidi, Hsin-Neng Wang, Tuan Vo-Dinh. Characterization of nanoprobe uptake in single cells: spatial and temporal tracking via SERS-labeling and modulation of surface charge