Прослушивание шепота отдельных клеток

Клетки нашего организма постоянно общаются друг с другом, чтобы функционировать как единое целое. Они выделяют сигнальные молекулы — ионы, белки и нуклеиновые кислоты, — которые улавливаются соседними клетками, передающими сигнал дальше. Работа мышц, пищеварительной системы и мозга возможна только благодаря такой коммуникации. Именно так иммунная система распознает патогены или инфицированные клетки и мобилизует защитные силы. Сбои в межклеточной сигнализации могут привести к таким заболеваниям, как рак или аутоиммунные расстройства.

Инновационный наносенсор

Ранее измерять эти сигналы можно было только для целых популяций из сотен или тысяч клеток. Методы не были достаточно чувствительными для работы с отдельными клетками, из-за чего сигнальные молекулы от отдельных клеток "растворялись" в усреднённых данных по популяции. Это не позволяло выявлять различия между клетками, например, для идентификации больных клеток.

Новый метод, недавно опубликованный в журнале Nature Nanotechnology, решает эту проблему. Исследователи использовали микроскоп силового воздействия в жидкости (fluid force microscope), оснащённый специальной кантилеверной иглой. На её кончик помещён крошечный сенсор — пористая мембрана из нитрида кремния размером в несколько нанометров, которая регистрирует выделение молекул клеткой.

Как это работает: транспортные белки в клеточной мембране контролируют выделение сигнальных молекул. Наноразмерная пора сенсора настолько мала, что её можно точно позиционировать над одним таким транспортным белком и перехватывать проходящие через него молекулы. Сенсор измеряет ионный ток, который изменяется, когда через пору проходят ионы или более крупные биомолекулы (белки, нуклеиновые кислоты). Разные сигнальные молекулы идентифицируются по характеру и длительности изменения ионного тока.

Взгляд на отдельные клетки

Метод, названный сканирующей нанопоровой микроскопией (scanning nanopore microscopy), был протестирован на живых нервных клетках из ткани мозга крысы. Уже сейчас с его помощью можно различать отдельные сигнальные молекулы, такие как ионы и определённые белки.

Кроме того, тонкий наконечник сенсора настолько деликатен, что может проколоть клеточную мембрану без необратимых повреждений, позволяя заглянуть внутрь клетки. Это даёт возможность анализировать, что именно выделяется из клеточного ядра. Особый интерес здесь представляют фрагменты РНК, которые показывают, какие белки клетка производит в данный момент — ключевой фактор для развития многих заболеваний.

Новый метод открывает биологам совершенно новые возможности для исследования поведения отдельных клеток. Его можно использовать не только для дифференциации больных и здоровых клеток, но и в разработке стволовых клеток, а также для проверки, ведут ли клетки в лаборатории себя так же, как в организме.