Черви поедают наночастицы для тестирования биологических датчиков силы

Миллиметровые черви, переваривающие свою любимую бактериальную пищу, сдобренную наночастицами, могут в перспективе привести к новому способу наблюдения за клеточными силами в организме человека, включая процессы заживления ран и роста рака.

Ключевой момент: эти специфические наночастицы светятся под воздействием лазера ближнего инфракрасного диапазона и меняют цвет в зависимости от давления вокруг них. Таким образом, они могут передавать информацию в реальном времени о силах, которые испытывают, находясь внутри червя.

"Измененные силы на клеточном уровне лежат в основе многих заболеваний, включая болезни сердца и рак", — сказала Дженнифер Дионн, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Стэнфорде и один из главных исследователей. — "Это будет наноразмерный считыватель, который можно использовать in vitro или in vivo для обнаружения болезни на очень ранней стадии".

Дионн объединила усилия с Мириам Б. Гудман, профессором молекулярной и клеточной физиологии, благодаря гранту Stanford Bio-X, который специально присуждается для поощрения междисциплинарного сотрудничества. Гудман изучает механику тактильных ощущений у Caenorhabditis elegans — червей, которые поедают наночастицы Дионн.

Наблюдение за пищеварением червей

Хотя конечная цель работы — обнаруживать силу в человеческих клетках, команда тестирует свой подход на этих едва видимых червях. Как и у людей, пищеварение у червей включает механическое измельчение и проталкивание пищи, что может дать представление о том, как эти наночастицы регистрируют клеточную силу.

"Цвет, который излучает каждая наночастица, меняется с красного на оранжевый при механической силе порядка наноньютонов до микроньютонов — диапазоне сил, который считается очень важным для межклеточных сил", — сказала Элис Лэй, аспирант лаборатории Дионн, возглавляющая эксперименты.

После изучения здоровых червей команда введет мутации, чтобы выяснить роль экспрессии генов в клеточных силах. Эти мутации позволят лучше понять расстройства пищеварения и связанные с ними заболевания, включая кислотный рефлюкс и образование грыж.

От червячной пищи к здоровью человека

Это исследование может повлиять на то, как мы изучаем и понимаем человеческое осязание, пищеварение, рак, заживление ран, клеточное деление и дифференцировку.

"Механические силы играют значительную роль в определении судьбы и функции клетки или органа", — сказала Дионн. — "Например, каждый раз, когда бьется наше сердце, слышат уши или заживает рана, задействованы клеточные силы".

Крошечный размер наночастиц означает, что они потенциально могут создавать карты сил с чрезвычайно высоким разрешением, предоставляя окно в "толкание" и "тягу" клеток на глубоком субклеточном уровне. В будущем эти биосовместимые наночастицы можно будет проглотить или ввести человеку в определенную область, например, в место раны или предполагаемой опухоли. Считывая цвета, излучаемые наночастицами, лаборатории смогут создать карту сил, указывающую на мелкомасштабную активность клеток вокруг этой области.

Эта техника также может углубить наше понимание сил, участвующих в восприятии окружающего мира, дополняя предыдущие исследования Гудман о том, как нейроны обрабатывают ощущение прикосновения.

"Более подробная информация о том, как мы ощущаем прикосновение, может помочь в переносе тактильных ощущений в небиологические системы, такие как протезы", — сказала Гудман.

На данный момент лаборатория Дионн создала наночастицы, черви Гудман успешно съели высокотехнологичную закуску, и исследователи получили статические изображения наночастиц внутри червей. Следующий шаг — зафиксировать динамическое свечение наночастиц с течением времени, что покажет изменения силы, которым частицы подвергаются во время пищеварения.