Бактерии доставляют наночастицы в клетки для ранней диагностики и лечения
Исследователи из Университета Пердью показали, что обычные бактерии могут доставлять ценный груз «умных наночастиц» внутрь клетки для точного размещения сенсоров, лекарств или ДНК с целью ранней диагностики и лечения различных заболеваний.
Этот подход представляет собой потенциальный способ преодоления препятствий в доставке грузов в интерьеры клеток, где они могли бы использоваться в качестве альтернативной технологии для генной терапии, заявил Рашид Башир, исследователь из Нанотехнологического центра Бирка в Пердью.
Исследователи прикрепляли наночастицы к поверхности бактерий и связывали ДНК с наночастицами. Затем бактерии, несущие наночастицы, транспортировали ДНК в ядра клеток, заставляя клетки производить флуоресцентный белок, светящийся зелёным. Тот же метод можно использовать для доставки лекарств, генов или других грузов в клетки.
«Высвобождаемый груз предназначен для транспортировки в разные участки клеток для одновременного проведения диагностики и лечения болезни, — сказал Башир. — Поскольку бактерии и материал наночастиц можно выбирать из множества вариантов, это система доставки, которую можно адаптировать к характеристикам клеток-реципиентов. Она может эффективно доставлять диагностический или терапевтический груз для широкого спектра задач».
В качестве транспортных средств можно использовать безвредные штаммы бактерий, используя их естественную способность проникать в клетки и их ядра, сказал Башир.
«Для генной терапии большим препятствием был поиск способов транспортировки терапевтической молекулы ДНК через ядерную мембрану в ядро, — пояснил он. — Только находясь в ядре, ДНК может производить белки, выполняющие специфические функции и корректирующие генетические заболевания».
Когда несущие груз бактерии прикрепляются к клетке-реципиенту, они поглощаются её внешней мембраной, образуя «везикулы» — крошечные сферы, которые втягиваются внутрь клетки. Оказавшись внутри клетки, бактерии растворяют мембрану везикулы и высвобождают груз.
Этот метод можно использовать для получения изображений больных тканей, вводя груз флуоресцентных молекул в опухоли, которые обычно слишком малы для обнаружения, сказал Демир Акин, доцент-исследователь в области биомедицинской инженерии, специализирующийся на наномедицине.
«Эти бактерии потенциально могут доставлять специфические молекулы в самые разные клетки», — сказал Акин, первый автор исследовательской работы, опубликованной на этой неделе в журнале Nature Nanotechnology.
Эксперименты проводились на культурах человеческих раковых клеток, включая клетки рака кишечника, полости рта, печени, яичников и молочной железы. Исследователи также протестировали свой метод на живых мышах и показали, как эту технику можно использовать для доставки специфических генов в различные органы, включая печень и почки.
«Клетки в органах, получивших бактерии с наночастицами, производили запланированные терапевтические белки и испускали свет, похожий на свечение светлячка», — сказал Акин.
Некоторые бактерии естественным образом запрограммированы на растворение мембран везикул — критически важный шаг для доставки груза. Наночастицы называют «умными», потому что они высвобождают свой груз в точно заданный момент после проникновения в клетку.
«В тот момент, когда бактерии разрушают мембрану везикулы, груз отсоединяется от бактерий, и оба эти шага имеют решающее значение для доставки», — пояснил Акин.
Наночастицы размером от 40 до 200 нанометров прикрепляются к бактериям с помощью «линкерных молекул».
«Использование коммерчески доступных полистирольных наночастиц делает эту систему доставки намного проще в реализации, чем предыдущие альтернативы», — отметил Башир.
Эта новая система доставки также более эффективна, чем другие экспериментальные методы с использованием вирусов и бактерий.
«С другими методами обычно можно включить только одну копию вашего генного груза в каждую бактериальную или вирусную частицу», — сказал Акин.
В новом подходе бактерии могут нести сотни наночастиц, каждая из которых, в свою очередь, может нести сотни молекул лекарства, в зависимости от размера наночастиц.
Этот подход также может позволить вводить в интерьеры клеток относительно крупные структуры, такие как сенсоры и полые нити, называемые углеродными нанотрубками.
Сенсоры могли бы позволить отслеживать процессы внутри отдельной клетки для раннего обнаружения рака и других заболеваний, а также для мониторинга прогрессирования болезни и реакции на терапию. Углеродные нанотрубки можно доставлять в больные клетки, а затем подвергать воздействию света, заставляя их нагреваться и убивать только эти поражённые клетки, сказал Акин.