Конструирование ультразвуковых инструментов из белков, подобных Lego

Ультразвуковая визуализация используется по всему миру для наблюдения за развитием плода и диагностики заболеваний. Звуковые волны отражаются от тканей, выявляя их различную плотность и форму. Следующий шаг в технологии УЗИ — визуализация не только анатомии, но и специфических клеток и молекул в глубине тела, например, связанных с опухолями или бактериями в кишечнике.

Новое исследование из Калтеха описывает, как методы белковой инженерии могут помочь достичь этой цели. Учёные сконструировали наноструктуры с белковой оболочкой, называемые газовыми везикулами (которые отражают звуковые волны), чтобы придать им новые свойства, полезные для ультразвуковых технологий. В будущем такие газовые везикулы можно будет вводить пациенту для визуализации интересующих тканей. Модифицированные везикулы показали способность:

• давать более чёткие сигналы, упрощая визуализацию;
• нацеливаться на определённые типы клеток;
• помогать создавать цветные ультразвуковые изображения.

«Это чем-то похоже на конструирование из молекулярного Lego, — говорит доцент химической инженерии Михаил Шапиро, старший автор статьи в журнале ACS Nano. — Мы можем менять разные белковые "детали" на поверхности газовых везикул, чтобы изменять их свойства нацеливания и визуализировать несколько молекул в разных цветах».

«Сегодня УЗИ в основном анатомическое, — говорит ведущий автор исследования Анупама Лакшманан. — Мы хотим опустить его до молекулярного и клеточного уровня».

В 2014 году Шапиро впервые обнаружил потенциал газовых везикул для ультразвуковой визуализации. Эти газонаполненные структуры естественным образом встречаются у водных одноклеточных организмов, например, у цианобактерии Anabaena flos-aquae. Везикулы помогают организмам контролировать плавучесть и, следовательно, доступ к солнечному свету у поверхности воды. Шапиро понял, что везикулы будут легко отражать звуковые волны, и в итоге продемонстрировал это на мышах.

В новом исследовании команда Шапиро задалась целью придать газовым везикулам новые свойства, модифицируя белок газовой везикулы C (GvpC), который естественным образом находится на поверхности везикул, придавая им механическую прочность и предотвращая коллапс. Этот белок можно модифицировать для получения разной длины: более длинные версии создают более прочные и жёсткие наноструктуры.

«Белки похожи на каркасные стержни фюзеляжа самолёта. С их помощью вы определяете механику структуры», — говорит Шапиро.

В одном эксперименте учёные удалили укрепляющий белок из газовых везикул, ввели модифицированные везикулы мышам и провели УЗИ. По сравнению с обычными везикулами, модифицированные сильнее вибрировали в ответ на звуковые волны, резонируя на гармонических частотах. Гармоники, которые не создаются естественными тканями, делают везикулы хорошо заметными на УЗИ-изображениях.

В другом эксперименте исследователи показали, как газовые везикулы можно заставить нацеливаться на определённые ткани. Они генетически сконструировали везикулы для отображения различных клеточных мишеней, например, аминокислотной последовательности, распознающей белки интегрины, которые сверхэкспрессируются в опухолевых клетках.

«Добавление этих функций к газовым везикулам похоже на присоединение нового кусочка Lego; это модульная система», — говорит Шапиро.

Команда также показала, как можно создавать многоцветные ультразвуковые изображения. Обычные УЗИ-изображения чёрно-белые. Группа Шапиро разработала подход для визуализации трёх разных типов газовых везикул как отдельных «цветов» на основе их различной способности сопротивляться коллапсу под давлением.

Для демонстрации команда создала три версии везикул с разной прочностью белка GvpC. Затем они повышали давление ультразвука, заставляя варианты везикул последовательно коллапсировать один за другим. По мере коллапса каждой популяции общий ультразвуковой сигнал уменьшался пропорционально её количеству, и это изменение сигнала затем сопоставлялось с определённым цветом. В будущем, если каждая вариантная популяция будет нацелена на определённый тип клеток, исследователи смогут визуализировать клетки в нескольких цветах.

«Вы сможете видеть опухолевые клетки в отличие от иммунных клеток, атакующих опухоль, и таким образом отслеживать прогресс лечения», — говорит Шапиро.