Caught in a spin: Спиральный вихрь упрощает доставку наноматериалов в клетки
Клеточная мембрана — это избирательный барьер, защищающий содержимое клетки. Учёные долго искали эффективные методы доставки наноматериалов (ДНК, белков, лекарств) внутрь клеток.
Исследователи из Корейского университета и Окинавского института науки и технологий (OIST) разработали быстрый и эффективный метод, использующий силу микроскопического жидкостного вихря для деформации клеточных мембран. Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.
"Современные методы имеют множество ограничений: проблемы с масштабируемостью, стоимостью, низкой эффективностью и цитотоксичностью", — отметил руководитель исследования профессор Арам Чунг. — "Наша цель — использовать микрофлюидику для создания нового мощного решения для внутриклеточной доставки".
Новое устройство — микрофлюидный чип "спиральный гидропоратор" — может доставлять наноматериалы примерно в миллион клеток в минуту с эффективностью до 96%. При этом до 94% клеток остаются жизнеспособными.
"Чипы очень доступны по цене и просты в использовании", — сказал профессор Чунг. — "Вы просто закачиваете жидкость с клетками и наноматериалами, и клетки, уже содержащие наноматериал, вытекают с другой стороны. Весь процесс занимает минуту".
В потоке
Учёные спроектировали каналы в микрофлюидном чипе в особой конфигурации: с перекрёстным соединением в центре и двумя Т-образными соединениями сверху и снизу.
При изучении влияния геометрии каналов и скорости потока на клетки выделился один специфический сценарий: перекрёстное соединение, где умеренные потоки жидкости сталкивались с противоположных направлений.
"Мы наблюдали интересное поведение клеток: они "танцевали" в центре перекрёстного канала", — сказал профессор Чунг.
Добавив флуоресцентный краситель в один из потоков, исследователи обнаружили образование спирального вихря. Для понимания механики жидкости учёные объединились с группой профессора Эми Шен (OIST).
Используя суперкомпьютер OIST, учёные смоделировали взаимодействие встречных потоков жидкости при разных скоростях.
"При низкой скорости потока две сталкивающиеся струи жидкости симметрично расходились, что описано в литературе", — сказал учёный OIST доктор Саймон Ховард. — "Однако с увеличением скорости потока мы наблюдали возникновение нестабильностей, которые привели к образованию множественных вихрей, в итоге слившихся в один большой спиральный вихрь".
"Наша симуляция объяснила необычные явления, наблюдаемые группой Чунга, и показала, как именно такие параметры, как скорость потока, влияют на формирование вихря", — добавил доктор Дэниел Карлсон.
Механизм доставки
Образование вихря — ключ к быстрой и эффективной доставке. Когда клетка попадает в центр перекрёстного соединения, сила спирального вихря деформирует её, создавая нанометровые отверстия в мембране. Наноматериалы из жидкости проникают в клетку через эти отверстия.
Затем клетки уносятся от перекрёстка и сталкиваются со стенками Т-образных соединений, что вызывает дополнительную деформацию мембраны и повышает эффективность доставки. После деформации наноотверстия в мембране закрываются, и мембрана восстанавливается.
Перспективы для исследований
С помощью спиральной гидропорации команда смогла доставить в клетки специфические наноматериалы, включая РНК и золотые наночастицы.
Более эффективная и недорогая доставка ДНК, РНК и белков (например, CRISPR-Cas9) в большое количество клеток может помочь в исследованиях генной терапии, иммунотерапии рака и стволовых клеток.
Золотые наночастицы также можно использовать для доставки лекарств, визуализации молекул и органелл внутри клеток, а также для диагностики заболеваний.
"В целом, у спиральной гидропорации огромный спектр применений, и интерес к чипу очень высок", — сказал профессор Чунг. — "Исследователям нужен более эффективный, простой, быстрый и недорогой способ внутриклеточной доставки — наш чип открывает для этого новые возможности".