Изучение процессов, происходящих в живых клетках, требует разработки новых методов исследования, в которых клетка не претерпевает резких и разрушительных изменений. Учеными из Университета Торонто представлена новая неинвазивная стратегия создания многофункциональных наносистем для изучения внутриклеточных процессов в живых клетках.

Широко используемые в современных клеточных исследованиях наночастицы класса квантовых точек (QDs) служат флуоресцентными зондами и капсулами для направленной доставки лекарств. Благодаря высокой химической стабильности, возможности варьирования флуоресцентных свойств и конъюгирования биологически активных молекул с поверхностью QDs, эти наночастицы могут применяться учеными для изучения процессов внутри клеток. Однако применение микроскопии в визуализации клеточных процессов осложняется накоплением QDs в эндосомах и на рецепторах клеточной мембраны. Это – большой недостаток в задачах высвобождения большого количества QDs в цитоплазму и причина серьезных повреждений клеточной мембраны и затруднения нормального функционирования клеточных органелл, участвующих в транспорте белков.

Учеными Университета Торонто во главе с профессором Уорреном Чаном (Warren Chan) разработана новая стратегия перемещения квантовых точек внутрь клетки, не сопровождающаяся повреждением мембраны и накоплением в ней наночастиц.

Наночастицы были инкапсулированы в био-разлагаемый гидрогель и модифицированы антителами, специфически связывающимися с рецепторами мембраны клетки. Полученная нанокомпозитная структура, состоящая из QDs проникает в клетки без разрушения мембраны, а затем гидролизуется в цитоплазме, высвобождая индивидуальные наночастицы QDs.

Более ранние попытки ученых осуществить транспорт пептидов в клетку с помощью наночастиц оказывались неудачными из-за природных мембранных механизмов клетки, ограничивающих попадание чужеродных объектов внутрь нее. Другие методы, такие как микроинъекции и электропорация не являются достаточно производительными и сильно повреждают клетки.

Единственный метод, который позволяет высокопроизводительно и без разрушения мембраны произвести транспорт веществ в клетку – это использовать фагоцитарную особенность мембраны, то есть специфическое связывание антител, покрывающих наночастицу, с рецепторами мембраны и последующий эндоцитоз частицы. Попав в клетку, наночастица гидролизуется, высвобождая доставляемые QDs в цитоплазму. Таким образом достигается высокая концентрация наночастиц, лекарства или биоконъюгата в непосредственной близости белков-мишеней в клетке.

Механизм высвобождения и внутриклеточного направленного воздействия квантовых наноточек. Схематически изображен захват клеткой и эндоцитоз био-разлагаемой наночастицы, покрытой антителами к рецепторам клеточной мембраны, с последующим ее гидролизом в цитоплазме клетки и высвобождение инкапсулированных в ней наночастиц QDs для воздействия на внутриклеточные структуры

«Биосовместимость разработанной нами системы доставки наночастиц существенно расширяет горизонты возможных применений QDs для исследования внутриклеточных структур и фундаментальных процессов непосредственно в живой клетке, – рассказывает профессор Чан. – Мы наблюдаем существенное улучшение биосовместимости наших наноструктур по сравнению с простыми QDs и поэтому рассчитываем на минимальную цитотоксичность».

Данный подход позволяет одновременно вводить в клетку наночастицы с несколькими инкапсулированными в них клеточными маркерами, обладающими различными флуоресцентными характеристиками.

Результаты проведенной работы были опубликованы в журнале Nano Letters (Biodegradable Quantum Dot Nanocomposites Enable Live Cell Labeling and Imaging of Cytoplasmic Targets).

Дальнейшие исследования ученых будут посвящены детальному изучению поведения нанокомпозитов на основе квантовых точек внутри клетки, поскольку только эти знания могут обеспечить полное понимание нюансов и возможностей новой технологии.

Мария Костюкова