Квантовые точки оказывают минимальное воздействие на клетки
Нанометровые флуоресцентные зонды, способные проникать в живые клетки для изучения фундаментальных процессов жизни или отслеживания эффективности противораковых препаратов, практически не замечаются клетками, в которые они попадают. К такому выводу пришла группа исследователей под руководством Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли Министерства энергетики США.
Используя высокопроизводительный тест на экспрессию генов, команда установила, что зонды — специально покрытые квантовые точки — влияют только на 0.2% человеческого генома. Это открытие должно развеять опасения, что само присутствие этих многообещающих, но потенциально токсичных «часовых» нарушает функции клетки, ставя под сомнение способность квантовых точек точно отслеживать клеточные процессы или контролировать эффективность лекарств.
«Благодаря защитному покрытию мы обнаружили, что квантовые точки оказывают минимальное воздействие на клетки, — говорит Фаньцин Фрэнк Чен, учёный из Отдела наук о жизни лаборатории Беркли. — Единственные изменения генов, которые мы видим, связаны с транспортировкой точек внутрь и внутри клеток».
Кроме того, инструмент, который Чен и его коллеги использовали для анализа квантовых точек — генный чип с 18 400 зондами известных человеческих генов — является одним из самых комплексных и эффективных в мире способов измерения токсичности наночастиц. Это особенно важный инструмент, учитывая, что наночастицы часто фигурируют в новостях из-за опасений по поводу рисков для здоровья.
«Лаборатория Беркли — одна из первых лабораторий в мире, которая провела и опубликовала исследования по высокопроизводительному анализу токсичности наночастиц на уровне всего генома», — говорит Чен.
Исследование и результаты
Команда Чена использовала этот токсикогеномический инструмент для изучения квантовых точек — полупроводниковых кристаллов, состоящих из нескольких сотен или тысяч атомов, которые излучают свет разного цвета при освещении лазером. Благодаря своей стабильности эти флуоресцентные зонды могут оставаться в цитоплазме и ядре клетки, не выцветая, гораздо дольше, чем обычные флуоресцентные метки. Это может дать биологам чёткое представление о процессах, длящихся несколько часов или даже дней, таких как репликация ДНК, геномные изменения и контроль клеточного цикла.
Несколько лет назад химик лаборатории Беркли Пол Аливисатос разработал способ создания особенно стабильных квантовых точек из селенида кадмия и сульфида цинка. Однако одним из недостатков этого подхода является то, что такие точки могут высвобождать потенциально токсичные ионы кадмия и цинка в клетки.
Чтобы решить эту проблему, Аливисатос и его бывший постдок Даниэле Джерьон покрыли точки защитным слоем полиэтиленгликоля — очень нереакционноспособного и стабильного соединения, широко используемого в фармацевтической промышленности. Этот слой предназначен для предотвращения утечки ионов тяжёлых металлов в клетки после проникновения точек внутрь.
Чтобы проверить эффективность этого покрытия, команда Чена использовала генный чип. Этот чип позволяет быстро подвергнуть весь человеческий геном воздействию соединения (например, квантовых точек) и определить, в какой степени это соединение заставляет гены экспрессироваться нетипично.
«Мы обнаружили, что из 18 400 генов на нашем чипе было затронуто только около 50 генов, что составляет примерно 0.2% человеческого генома», — говорит Чен.
Выводы и перспективы
По словам Чена, это минимальное изменение не вызывает беспокойства по нескольким причинам:
- Количество затронутых генов очень мало, учитывая большую дозу квантовых точек, использованную в исследовании (до 1000 раз больше, чем типичная доза).
- Затронутые гены не связаны с воздействием тяжёлых металлов, что было бы в случае воздействия ионов кадмия или цинка.
- Гены, которые действительно меняются, участвуют в транспортировке квантовых точек через клеточную мембрану и внутри клетки.
«Мы видим изменения в транспортных белках, что ожидаемо, поскольку точки должны транспортироваться внутрь и внутри клетки», — поясняет Чен, опубликовавший это исследование в апрельском выпуске журнала Nano Letters.
Основываясь на результатах, команда Чена надеется вскоре использовать квантовые точки для визуализации рака молочной железы и простаты in vivo. Лаборатория Беркли также работает в сотрудничестве с другими исследователями над изучением мутагенных и канцерогенных характеристик этих квантовых точек с кремниевым покрытием.
В исследовании также участвовали учёные из компании Affymetrix (Санта-Клара, Калифорния), Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, Калифорнийского университета в Беркли и Комплексного онкологического центра Калифорнийского университета в Сан-Франциско.