Наноплазмонная визуализация показывает секрецию белков в реальном времени

Исследователи EPFL использовали наноплазмонный подход для наблюдения за производством клеточных секретов, включая белки и антитела, в реальном времени. Этот прогресс может помочь в разработке методов лечения рака, вакцин и других терапий.

Клеточные секреты, такие как белки, антитела и нейротрансмиттеры, играют ключевую роль в иммунном ответе, метаболизме и коммуникации между клетками. Понимание клеточной секреции важно для разработки методов лечения болезней, но текущие методы могут сообщать только о количестве секретов, без деталей о том, когда и где они производятся.

Исследователи из Лаборатории BIOnanophotonic Systems (BIOS) в Школе инженерии и Женевского университета разработали новый оптический метод визуализации, который дает четырехмерное представление о клеточной секреции в пространстве и времени. Помещая отдельные клетки в микроскопические лунки на наноструктурированном чипе с золотым покрытием и вызывая явление плазмонного резонанса на его поверхности, они могут картировать секрецию по мере ее производства, одновременно наблюдая за формой и движением клеток.

Поскольку метод обеспечивает беспрецедентно детальный взгляд на то, как функционируют и общаются клетки, ученые считают, что их метод, недавно опубликованный в Nature Biomedical Engineering, имеет «огромный» потенциал для фармацевтической разработки и фундаментальных исследований.

«Ключевой аспект нашей работы заключается в том, что он позволяет нам скринировать клетки индивидуально, с высокой пропускной способностью. Коллективные измерения среднего ответа многих клеток не отражают их гетерогенности… а в биологии все гетерогенно, от иммунных ответов до раковых клеток. Вот почему рак так трудно лечить», — говорит глава BIOS Хатис Альтуг.

Миллион сенсорных элементов

В основе метода ученых лежит наноплазмонный чип размером 1 см², состоящий из миллионов крошечных отверстий и сотен камер для отдельных клеток. Чип изготовлен из наноструктурированной золотой подложки, покрытой тонкой полимерной сеткой. Каждая камера заполнена клеточной средой, чтобы поддерживать клетки живыми и здоровыми во время визуализации.

«Клеточные секреты подобны словам клетки: они динамично распространяются во времени и пространстве, чтобы соединиться с другими клетками. Наша технология фиксирует ключевую гетерогенность с точки зрения того, где и как далеко путешествуют эти "слова"», — говорит аспирант BIOS и первый автор статьи Саид Ансариан.

Наноплазмоника работает благодаря световому лучу, который заставляет электроны золота колебаться. Наноструктура спроектирована так, что только определенные длины волн могут проникать через нее. Когда что-то — например, секреция белка — происходит на поверхности чипа и изменяет проходящий свет, спектр смещается. Датчик изображения CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) и светодиод преобразуют это смещение в вариации интенсивности на пикселях CMOS.

«Красота нашего аппарата в том, что наноотверстия, распределенные по всей поверхности, превращают каждую точку в сенсорный элемент. Это позволяет нам наблюдать пространственные паттерны высвобождаемых белков независимо от положения клетки», — говорит Ансариан.

Метод позволил ученым заглянуть в два важнейших клеточных процесса — деление клеток и гибель клеток — и изучить деликатные B-клетки человека-донора, секретирующие антитела.

«Мы увидели высвобождение содержимого клетки во время двух форм клеточной смерти — апоптоза и некроптоза. При последнем содержимое высвобождается асимметричным взрывом, что приводит к характерному изображению или отпечатку. Этого никогда раньше не показывали на уровне одной клетки», — говорит Альтуг.

Скрининг на жизнеспособность клеток

Поскольку метод помещает клетки в питательную клеточную среду и не требует токсичных флуоресцентных меток, используемых в других технологиях визуализации, изучаемые клетки можно легко восстановить. Это дает методу большой потенциал для использования в разработке фармацевтических препаратов, вакцин и других методов лечения; например, чтобы помочь исследователям понять, как клетки реагируют на различные терапии на индивидуальном уровне.

«Поскольку количество и паттерн секретов, производимых клеткой, являются косвенным показателем их общей эффективности, мы также можем представить себе применение в иммунотерапии, где вы скринируете иммунные клетки пациента, чтобы определить наиболее эффективные, а затем создаете колонию этих клеток», — говорит Ансариан.