Лазерная нанобритва для клеточной «хирургии»
Для изучения клеток исследователям иногда требуется извлекать, манипулировать и возвращать обратно их внутренние компоненты. Возможностей для такой работы мало, но учёные, сообщившие 10 мая в Cell Metabolism, описывают «нанобритву», способную прорезать мембрану клетки для вставки митохондрий. Ранее эта технология использовалась для переноса других материалов между клетками, и теперь исследователи надеются коммерциализировать её для широкого применения в биоинженерии.
«Как новый инструмент для клеточной инженерии, для настоящего конструирования клеток в медицинских и исследовательских целях, я считаю это очень уникальным», — говорит Майк Тейтелл, патолог и биоинженер из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). — «Мы пока не столкнулись ни с чем размером до нескольких микрон, что мы не могли бы доставить».
Тейтелл и Пей-Ю «Эрик» Чиу, также биоинженер из UCLA, впервые задумали нанобритву несколько лет назад для переноса ядра из одной клетки в другую. Однако они скоро углубились в область пересечения биологии стволовых клеток и энергетического метаболизма, где технология могла бы использоваться для манипуляций с митохондриями клетки. Изучение эффектов мутаций в митохондриальном геноме, которые могут вызывать изнурительные или смертельные болезни у людей, затруднено по ряду причин.
«В этой области существует узкое место для модификации митохондриальной ДНК клетки», — говорит Тейтелл. — «Поэтому мы работаем над двухэтапным процессом: отредактировать митохондриальный геном вне клетки, а затем взять эти изменённые митохондрии и вернуть их в клетку. Мы всё ещё работаем над первым шагом, но второй решили довольно хорошо».
Аппарат нанобритвы состоит из микроскопа, лазера и покрытой титаном микропипетки, которая служит «лезвием», управляемым джойстиком. Когда лазерный импульс попадает в титан, металл нагревается, испаряя окружающие слои воды в культуральной среде и образуя пузырёк рядом с клеткой. За микросекунду пузырёк расширяется, создавая локальную силу, которая прокалывает клеточную мембрану и создаёт проход длиной в несколько микрон. Через него можно протолкнуть «груз» — в данном случае митохондрии. Затем клетка быстро восстанавливает дефект мембраны.
Тейтелл, Чиу и их команда использовали нанобритву для вставки меченых митохондрий из клеток рака молочной железы человека и эмбриональных клеток почки в клетки без митохондриальной ДНК. Последовавшее секвенирование ядерной и митохондриальной ДНК показало, что митохондрии были успешно перенесены и реплицированы в 2% клеток с различным уровнем функциональности. Другие методы переноса митохондрий трудно контролировать, и, согласно исследователям, в случаях, когда они работали, показатели успеха составляли лишь 0.0001%–0.5%.
«Успех переноса митохондрий был очень обнадёживающим», — говорит Чиу. — «Самое захватывающее применение нанобритвы, по-моему, — в изучении митохондрий и инфекционных заболеваний. Эта технология даёт новые возможности для продвижения в этих областях».
Амбиции команды простираются далеко за пределы митохондрий: они уже масштабировали аппарат нанобритвы до автоматизированной версии для высокопроизводительного скрининга.
«Мы хотим создать платформу, простую в использовании для всех, и позволить исследователям придумать всё, что они могут вообразить размером в несколько микрон или меньше, что было бы полезно для их исследований — будь то вставка антител, патогенов, синтетических материалов или чего-то ещё, что мы не можем представить», — говорит Тейтелл. — «Было бы очень круто позволить людям делать то, что они не могут делать сейчас».