Впервые междисциплинарной группе из Базельского университета удалось интегрировать искусственные органеллы в клетки живых эмбрионов рыбок данио. Этот инновационный подход с использованием искусственных органелл в качестве клеточных имплантатов открывает новые возможности в лечении ряда заболеваний, как сообщают авторы в статье, опубликованной в Nature Communications.
В клетках высших организмов такие органеллы, как ядро или митохондрии, выполняют ряд сложных функций, необходимых для жизни. В сетях Швейцарского института нанонаук и NCCR «Инженерия молекулярных систем» группа под руководством профессора Корнелии Паливан с химического факультета Базельского университета работает над получением органелл такого рода в лаборатории, над внедрением их в клеток, а также контролировать их активность в ответ на воздействие внешних факторов (например,грамм. изменение значений pH или восстановительных условий).
Эти клеточные имплантаты могут, например, нести ферменты, способные превращать фармацевтический ингредиент в активное вещество и высвобождать его «по требованию» в определенных условиях. Введение лекарств таким образом может значительно уменьшить как используемые количества, так и побочные эффекты. Это позволит проводить лечение только тогда, когда этого требуют изменения, связанные с патологическими состояниями (например, опухолью).
Крошечные капсулы с ферментным грузом
Искусственные органеллы основаны на крошечных капсулах, которые самопроизвольно образуются в растворе из полимеров и могут заключать в себе различные макромолекулы, такие как ферменты. Представленные здесь искусственные органеллы содержали фермент пероксидазу, который начинает действовать только тогда, когда специфические молекулы проникают через стенку капсулы и поддерживают ферментативную реакцию.
Чтобы контролировать прохождение веществ, исследователи включили химически модифицированные природные мембранные белки в стенки капсул. Они действуют как ворота, которые открываются в зависимости от концентрации глутатиона в клетке.
При низком значении глутатиона поры мембранных белков "закрыты" - то есть никакие вещества не могут пройти. Если концентрация глутатиона поднимается выше определенного порога, белковые ворота открываются, и вещества извне могут проходить через поры в полость капсулы. Там они преобразуются ферментом внутри, и продукт реакции может покинуть капсулу через открытые ворота.
Также эффективен в живых организмах
В сотрудничестве с группой под руководством профессора Йорга Хувилера из Департамента фармацевтических наук Базельского университета искусственные органеллы также изучались in vivo. «Теперь мы впервые смогли интегрировать эти управляемые искусственные органеллы в клетки живого организма», - говорит Корнелия Паливан.
Исследователи выбрали эмбрионы рыбок данио, потому что их прозрачные тела позволяют отлично отслеживать клеточные имплантаты под микроскопом, когда они помечены флуоресцентным красителем.
После того, как искусственные органеллы были введены, они были «съедены» макрофагами и, таким образом, попали в организм. Затем исследователи смогли показать, что фермент пероксидаза, захваченный внутри искусственной органеллы, активируется, когда перекись водорода, вырабатываемая макрофагами, проникает через белковые ворота.
В этом исследовании мы показали, что искусственные органеллы, вдохновленные природой, продолжают работать так, как задумано в живом организме, и что включенные нами белковые ворота работают не только в клеточных культурах, но и в естественных условиях., - комментирует Тома? Эйнфальт, первый автор статьи и выпускник Школы докторов наук Швейцарского института нанотехнологий. Идея использования искусственных органелл в качестве клеточных имплантатов, способных, например, производить активные фармацевтические соединения, открывает новые перспективы для белковой терапии, ориентированной на пациента.