Клетки нашего тела со временем делятся и изменяются, при этом в каждой клетке ежедневно происходят тысячи химических реакций. Это мешает ученым понять, что происходит внутри. Теперь крошечные наносоломинки, разработанные исследователями из Стэнфорда, предлагают метод отбора проб содержимого клетки без нарушения ее естественных процессов.
Проблема с текущим методом взятия проб клеток, называемым лизисом, заключается в том, что он разрывает клетку. После того, как ячейка уничтожена, ее нельзя взять снова. Эта новая система отбора проб основана на крошечных пробирках, в 600 раз меньше пряди волос, которые позволяют исследователям брать пробы по одной клетке за раз. Наносоломинки проникают сквозь наружную мембрану клетки, не повреждая ее, и вытягивают белки и генетический материал из соленой внутренней части клетки.
«Это похоже на забор крови для клетки», - сказал Николас Мелош, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии и старший автор статьи, описывающей работу, опубликованную недавно в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Неразрушающий контроль
Техника отбора проб с помощью наносоломинок, по словам Мелоша, значительно повлияет на наше понимание развития клеток и может привести к гораздо более безопасным и эффективным методам лечения, поскольку эта техника позволяет проводить долгосрочный неразрушающий мониторинг.
Что мы надеемся сделать, используя эту технологию, так это наблюдать, как эти клетки меняются с течением времени, и иметь возможность делать выводы о том, как различные условия окружающей среды и «химические коктейли» влияют на их развитие, чтобы помочь оптимизировать процесс терапии, - сказал Мелош.
Если исследователи смогут полностью понять, как работает клетка, они смогут разработать методы лечения, которые воздействуют непосредственно на эти процессы. Например, в случае со стволовыми клетками исследователи открывают способы выращивания целых органов для конкретных пациентов. Хитрость в том, что ученые на самом деле не знают, как развиваются стволовые клетки.
Что касается стволовых клеток, мы знаем, что они могут превращаться во многие другие типы клеток, но мы не знаем, как они эволюционируют - как они переходят от стволовых клеток, скажем, к сердечным клеткам? Всегда есть загадка. Этот метод выборки даст нам более четкое представление о том, как это делается», - сказал Юхонг Цао, аспирант и первый автор статьи.
Техника отбора проб может также помочь в лечении рака и ответить на вопросы о том, почему одни раковые клетки устойчивы к химиотерапии, а другие нет.
«При химиотерапии всегда есть устойчивые клетки», - сказал Цао. «Если мы сможем проследить межклеточный механизм выживших клеток, мы сможем генетически узнать их реакцию на лекарство».
Имитация биологии
Платформа для отбора проб, на которой выращиваются наносоломинки, крошечная - размером с жевательную резинку. Она называется системой отбора проб Nanosolraw Extraction (NEX) и предназначена для имитации самой биологии.
В нашем организме клетки соединены системой «ворот», через которые они посылают друг другу питательные вещества и молекулы, как комнаты в доме, соединенные дверными проемами. Эти межклеточные ворота, называемые щелевыми соединениями, вдохновили Мелоша шесть лет назад, когда он пытался определить неразрушающий способ доставки веществ, таких как ДНК или лекарства, внутрь клеток. Новая система сэмплирования NEX работает наоборот, наблюдая за тем, что происходит внутри, а не предлагая что-то новое.
"Это очень захватывающее время для нанотехнологий", сказал Мелош. «Мы действительно приближаемся к масштабу, когда то, что мы можем контролируемо создавать, будет такого же размера, как и биологические системы».
Совершенствование системы отбора проб с наносоломинкой
На создание системы отбора проб NEX ушли годы. Мало того, что Мелош и его команда должны были обеспечить возможность отбора проб клеток с помощью этого метода, им нужно было убедиться, что образцы действительно являются надежной мерой содержания клеток, и что образцы, взятые с течением времени, остаются стабильными.
Когда команда сравнила свои образцы клеток из NEX с образцами клеток, полученными путем вскрытия клеток, они обнаружили, что 90 процентов образцов совпадали. Команда Мелоша также обнаружила, что, когда они день за днем брали образцы из группы клеток, определенные молекулы, которые должны присутствовать на постоянном уровне, оставались неизменными, что указывает на то, что их образцы точно отражали внутреннюю часть клетки..
С помощью сотрудников Серджиу П. Паска, доцента кафедры психиатрии и поведенческих наук, и Джозефа Ву, профессора радиологии, Мелош и его коллеги протестировали метод выборки NEX не только с родовыми клеточными линиями, но и с ткани человеческого сердца и клетки головного мозга, выращенные из стволовых клеток. В каждом случае отбор проб наносоломин отражал то же самое клеточное содержимое, что и при лизисе клеток.
Цель разработки этой технологии, по словам Мелоша, заключалась в том, чтобы оказать влияние на медицинскую биологию, предоставив платформу, которую могла бы построить любая лаборатория. Пока лишь несколько лабораторий по всему миру используют наносоломинки в клеточных исследованиях, но Мелош ожидает, что это число резко возрастет.
«Мы хотим, чтобы как можно больше людей использовали эту технологию», - сказал он. «Мы пытаемся помочь развитию науки и технологий на благо человечества».