Наноразмерный датчик-«невидимка» исследует внутреннюю среду клетки
Наноразмерный датчик, предназначенный для проникновения в мембрану клетки и сливающийся с ней, может открыть ученым портал для расширенной «прослушки» внутренней электрической активности отдельной клетки.
Современные методы зондирования клетки настолько разрушительны, что обычно позволяют проводить наблюдения в течение всего нескольких часов до того, как клетка умирает. Исследователи из Стэнфорда первыми смогли имплантировать неорганическое устройство в клеточную мембрану, не нанося ей вреда.
Наноразмерный датчик, предназначенный для проникновения в мембрану клетки и сливающийся с ней, может открыть ученым портал для расширенной «прослушки» внутренней электрической активности отдельной клетки. Современные методы зондирования клетки настолько разрушительны, что обычно позволяют проводить наблюдения в течение всего нескольких часов до того, как клетка умирает. Исследователи из Стэнфорда первыми смогли имплантировать неорганическое устройство в клеточную мембрану, не нанося ей вреда.
Ключевой особенностью зонда является то, что он имитирует естественные поры в мембране клетки, говорит Ник Мелош (Nick Melosh), доцент кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета (Stanford University), в лаборатории которого проведено это исследование. После модификации зонд может служить каналом для введения лекарств в хорошо защищенную внутреннюю среду клетки. Он может также обеспечить улучшенное крепление протезов нервной системы, таких как глубокие импланты мозга, используемые для лечения депрессии.
Покрытый металлом кремниевый зонд длиной в 600 нанометров встраивается в мембраны в лабораторных условиях так незаметно, что исследователи-разработчики окрестили его «стелс»-зондом.
«Зонды спонтанно сливаются с мембранами и хорошо закрепляются в них. Закрепление настолько прочно, что мы не можем их вытащить. Мембраны скорее подвергаются деформации, чем отпускают зонды», - говорит Мелош.
Мелош и аспирант материаловедения и инженерии Бенджамин Элмквист (Benjamin Almquist) – соавторы статьи о разработке, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«До сих пор при прокалывании клеточной мембраны мы в основном полагались на грубую силу», - говорит Мелош. «Чаще всего мы проделываем отверстия в мембране клетки с помощью всасывания. Можно использовать и высокое напряжение, но оба способа являются достаточно разрушительными. Многие клетки не выживают». Это ограничивает продолжительность любого наблюдения, особенно измерения электрических характеристик функций клетки.
Ключом к легкому проникновению зонда и хорошему его удержанию мембраной является то, что Милош и Элмквист за основу свой конструкции взяли один из находящихся в мембране клетки белков, функционирующих в качестве поры и регулирующих, какие молекулы должны попасть в клетку, а какие нет.
Мембрана клетки – это окруженная стенами крепость. Внутри самой стены находится водооталкивающая, или гидрофобная зона. Так как почти все молекулы в живых организмах являются водорастворимыми, гидрофобная часть мембраны действует как барьер, не позволяющий молекулам проходить через клеточную стенку. Единственный способ попасть внутрь клетки или выйти из нее – это преодолеть барьер с помощью специальных белков, образующих мостики для прохода через мембрану.
Такие трансмембранные белковые поры соответствуют архитектуре мембраны с ее центральной гидрофобной зоной, ограниченной двумя водорастворимыми, или гидрофильными слоями.
«Мы сделали неорганический аналог одного из таких белков, находящихся в мембране и не разрушающих ее», - говорит Мелош. «Теперь мы можем использовать его для создания своей собственной поры».
Чтобы получить такой зонд, Мелош и Элмквист прибегли к нанотехнологическим методам, используемым в полупроводниковой промышленности, сделав мельчайшие кремниевые столбики, концы которых покрыты тремя тонкими слоями металла – слой золота между двумя слоями хрома – для соответствия похожей на сэндвич структуре мембраны. Для придания гидрофобности золотому ободку ученые покрыли его молекулами углерода.
«Получение гидрофобного ободка толщиной всего в несколько нанометров было невероятно сложной технической задачей», - говорит Мелош. Нанесение такого тонкого слоя на конец зонда диаметром в 200 нанометров существующими методами было невозможно, поэтому для его создания он и Элмквист разработали новую технологию с использованием осаждения металла.
Такое тщательно нанесенное металлическое покрытие зонда-невидимки дает исследователям доступ к внутриклеточному электричеству. Теперь они могут наблюдать за электрическими импульсами, возникающими при различных видах клеточной активности. В сочетании со стабильностью зонда в мембране это может дать огромные возможности для изучения электрически возбудимых клеток, таких как нейроны, рассылающих сигналы по всей нервной системе.
Для наблюдения за такими межклеточными электрическими сигналами сейчас используется устройство, работающее на основе метода локальной фиксации потенциала (patch clamp), но в современной его форме оно представляет собой относительно грубый инструмент.
«Чтобы получить доступ к внутренней среде клетки, вы касаетесь ее поверхности, применяете всасывание и прорываете клеточную мембрану», - говорит Мелош. «Однако это довольно медленная процедура, которую одновременно можно проводить только на одной клетке. Она убивает клетку примерно в течение часа. Если наш стелс-зонд обеспечит нас «patch clamp»-инструментом длительного действия, мы получим возможность наблюдать за электрическими сетями в течение длительного периода времени, возможно, даже в течение недели».
«В идеале мы бы хотели получить порт доступа в клеточной мембране, через который можно было бы вводить и выводить определенные вещества, измерять электрические токи… то есть осуществлять полный контроль», - говорит Мелош. «То, что мы продемонстрировали – это платформа, на которой можно начать создание такого рода устройств».
Следующим этапом испытаний разработки будет демонстрация функциональных возможностей зонда на живых клетках. Элмквист и Мелош работают сейчас с человеческими эритроцитами и клетками рака шейки матки, а также яйцеклетками хомяка.
Источник: Нанотехнологии в медицине и биологии
Современные методы зондирования клетки настолько разрушительны, что обычно позволяют проводить наблюдения в течение всего нескольких часов до того, как клетка умирает. Исследователи из Стэнфорда первыми смогли имплантировать неорганическое устройство в клеточную мембрану, не нанося ей вреда.
Наноразмерный датчик, предназначенный для проникновения в мембрану клетки и сливающийся с ней, может открыть ученым портал для расширенной «прослушки» внутренней электрической активности отдельной клетки. Современные методы зондирования клетки настолько разрушительны, что обычно позволяют проводить наблюдения в течение всего нескольких часов до того, как клетка умирает. Исследователи из Стэнфорда первыми смогли имплантировать неорганическое устройство в клеточную мембрану, не нанося ей вреда.
Ключевой особенностью зонда является то, что он имитирует естественные поры в мембране клетки, говорит Ник Мелош (Nick Melosh), доцент кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета (Stanford University), в лаборатории которого проведено это исследование. После модификации зонд может служить каналом для введения лекарств в хорошо защищенную внутреннюю среду клетки. Он может также обеспечить улучшенное крепление протезов нервной системы, таких как глубокие импланты мозга, используемые для лечения депрессии.
Покрытый металлом кремниевый зонд длиной в 600 нанометров встраивается в мембраны в лабораторных условиях так незаметно, что исследователи-разработчики окрестили его «стелс»-зондом.
«Зонды спонтанно сливаются с мембранами и хорошо закрепляются в них. Закрепление настолько прочно, что мы не можем их вытащить. Мембраны скорее подвергаются деформации, чем отпускают зонды», - говорит Мелош.
Мелош и аспирант материаловедения и инженерии Бенджамин Элмквист (Benjamin Almquist) – соавторы статьи о разработке, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Статья доступна в Интернете.
«До сих пор при прокалывании клеточной мембраны мы в основном полагались на грубую силу», - говорит Мелош. «Чаще всего мы проделываем отверстия в мембране клетки с помощью всасывания. Можно использовать и высокое напряжение, но оба способа являются достаточно разрушительными. Многие клетки не выживают». Это ограничивает продолжительность любого наблюдения, особенно измерения электрических характеристик функций клетки.
Ключом к легкому проникновению зонда и хорошему его удержанию мембраной является то, что Милош и Элмквист за основу свой конструкции взяли один из находящихся в мембране клетки белков, функционирующих в качестве поры и регулирующих, какие молекулы должны попасть в клетку, а какие нет.
Мембрана клетки – это окруженная стенами крепость. Внутри самой стены находится водооталкивающая, или гидрофобная зона. Так как почти все молекулы в живых организмах являются водорастворимыми, гидрофобная часть мембраны действует как барьер, не позволяющий молекулам проходить через клеточную стенку. Единственный способ попасть внутрь клетки или выйти из нее – это преодолеть барьер с помощью специальных белков, образующих мостики для прохода через мембрану.
Такие трансмембранные белковые поры соответствуют архитектуре мембраны с ее центральной гидрофобной зоной, ограниченной двумя водорастворимыми, или гидрофильными слоями.
«Мы сделали неорганический аналог одного из таких белков, находящихся в мембране и не разрушающих ее», - говорит Мелош. «Теперь мы можем использовать его для создания своей собственной поры».
Чтобы получить такой зонд, Мелош и Элмквист прибегли к нанотехнологическим методам, используемым в полупроводниковой промышленности, сделав мельчайшие кремниевые столбики, концы которых покрыты тремя тонкими слоями металла – слой золота между двумя слоями хрома – для соответствия похожей на сэндвич структуре мембраны. Для придания гидрофобности золотому ободку ученые покрыли его молекулами углерода.
Ободки из хрома проявляют естественные свойства
гидрофильности.
«Получение гидрофобного ободка толщиной всего в несколько нанометров было невероятно сложной технической задачей», - говорит Мелош. Нанесение такого тонкого слоя на конец зонда диаметром в 200 нанометров существующими методами было невозможно, поэтому для его создания он и Элмквист разработали новую технологию с использованием осаждения металла.
Такое тщательно нанесенное металлическое покрытие зонда-невидимки дает исследователям доступ к внутриклеточному электричеству. Теперь они могут наблюдать за электрическими импульсами, возникающими при различных видах клеточной активности. В сочетании со стабильностью зонда в мембране это может дать огромные возможности для изучения электрически возбудимых клеток, таких как нейроны, рассылающих сигналы по всей нервной системе.
Для наблюдения за такими межклеточными электрическими сигналами сейчас используется устройство, работающее на основе метода локальной фиксации потенциала (patch clamp), но в современной его форме оно представляет собой относительно грубый инструмент.
«Чтобы получить доступ к внутренней среде клетки, вы касаетесь ее поверхности, применяете всасывание и прорываете клеточную мембрану», - говорит Мелош. «Однако это довольно медленная процедура, которую одновременно можно проводить только на одной клетке. Она убивает клетку примерно в течение часа. Если наш стелс-зонд обеспечит нас «patch clamp»-инструментом длительного действия, мы получим возможность наблюдать за электрическими сетями в течение длительного периода времени, возможно, даже в течение недели».
«В идеале мы бы хотели получить порт доступа в клеточной мембране, через который можно было бы вводить и выводить определенные вещества, измерять электрические токи… то есть осуществлять полный контроль», - говорит Мелош. «То, что мы продемонстрировали – это платформа, на которой можно начать создание такого рода устройств».
Следующим этапом испытаний разработки будет демонстрация функциональных возможностей зонда на живых клетках. Элмквист и Мелош работают сейчас с человеческими эритроцитами и клетками рака шейки матки, а также яйцеклетками хомяка.
Источник: Нанотехнологии в медицине и биологии
Medcentre.com.ua Медичний інформаційний ресурс 
Коментарі