Ученые из США разработали новый надежный исследовательский инструмент для биологов на основе нанопровода из оксида олова. Инструмент представляет собой неинвазивный эндоскоп, позволяющий получать изображения внутреннего устройства живых клеток. Инструмент, также обеспечивающий доставку в клетку небольшого количества «полезного груза», может в будущем использоваться в медицинских целях для помещения в биологическую клетку генов, белков и лекарственных препаратов.

Оптическое излучение уже достаточно давно используется для изучения биологических клеток, т.к. клеточные мембраны оказываются прозрачными для электромагнитных волн в этом диапазоне частот. Тем не менее, разрешение оптических методов исследования ограничены так называемым дифракционным пределом света, т .е. структуры, меньшие, чем половина длины волны падающего излучения, принципиально не могут быть отображены.

На сегодняшний день последние достижения в области нанофотоники позволили преодолеть ограничение дифракционного предела, что дает возможность визуализировать субклеточные структуры. Однако подобные инструменты дороги и громоздки, таким образом, многие лаборатории не могут их себе позволить.

Новый эндоскоп, предложенный американскими учеными, решает эти проблемы.

Группа ученых из Lawrence Berkeley National Lab (США) создала новый оптический инструмент с помощью присоединения тонкого волновода, представляющего собой нанопровод из оксида олова, к концу оптического волокна, таким образом, что свет, распространяющийся внутри волокна, может легко «переходить» в нанопровод за счет эффекта спаривания. При достижении кончика нанопровода, свет переизлучается, вследствие чего он может использоваться для получения оптических изображений внутриклеточного пространства с высоким разрешением (если конец нанопровода вставляется в биологическую клетку).

Команда провела испытания своего инструмента на клетках HeLa и обнаружила, что

свет, излучаемый кончиком нанопровода, был в значительной степени локализован в пространстве. Это позволит создавать на базе нового инструмента средства для узконаправленного освещения объектов внутри биологических клеток.

Созданный таким образом эндоскоп, в отличие от обычного флуоресцентного зондирования на основе относительно толстых субмикронных конусообразных оптических волокон, является неинвазивным, т.к. он может быть безопасно внедрен в цитоплазму клетки без ее повреждения. При этом синий свет, излучаемый нанопроводом, не опасен для клетки, т.к. объем освещенного пространства в отличие от упомянутого флуоресцентного зондирования, очень мал (имеет порядок пиколитров).

Предложенные устройства могут доставлять малые дозы лекарства, белков или генов внутрь клетки. Стоит отметить, что идея использования наноструктур для доставки лекарств не нова. Уже существуют инструменты для доставки лекарств в клетку на основе углеродных нанотрубок, а также наноструктур из нитрида бора. Однако такие инструменты достаточно долго должны находиться внутри клетки, чтобы выполнить свою задачу (до 30 минут).

Рис. 1. Схематическое изображение разработанного итальянскими учеными неинвазивного эндоскопа на базе нанопровода из оксида олова.

Предложенные американскими учеными зонды справляются с поставленной задачей гораздо быстрее. Для этого к острию нанопровода с помощью фото-активного линкера, который может быть расщеплен маломощным ультрафиолетовым излучением, присоединяется квантовая точка из вещества, которое необходимо доставить внутрь клетки. «Освободиться» от такого груза нанопровод может в течение одной минуты.

Исследователи подтвердили все свои результаты при помощи дополнительного исследования посредством конфокального сканирующего микроскопа. Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

В будущем ученые планируют использовать подобное устройство для оптической и электрической стимуляции биологических клеток с одновременным оптическим наблюдением за процессом.