Электрические поля клеток отталкивают наночастицы, подтвердили учёные

Клеточные мембраны обладают неожиданным свойством: они могут отталкивать наноразмерные молекулы, которые приближаются к ним. Команда учёных, включая специалистов из Национального института стандартов и технологий (NIST), выяснила причину этого, используя искусственные мембраны, имитирующие поведение естественных. Это открытие может повлиять на дизайн многих лекарственных препаратов, нацеленных на клетки.

Результаты, опубликованные в Journal of the American Chemical Society, подтверждают, что мощные электрические поля, генерируемые клеточными мембранами, в значительной степени ответственны за отталкивание наноразмерных частиц от поверхности клетки.

Это отталкивание особенно влияет на нейтральные, незаряженные наночастицы, отчасти потому, что более мелкие заряженные молекулы, притягиваемые электрическим полем, скапливаются у мембраны и вытесняют более крупные частицы. Поскольку многие методы лечения построены вокруг белков и других наночастиц, нацеленных на мембрану, это отталкивание может влиять на эффективность терапии.

Полученные данные являются первым прямым доказательством того, что причиной отталкивания являются именно электрические поля. По словам Дэвида Хугерхейда из NIST, этот эффект заслуживает большего внимания научного сообщества.

«Это отталкивание, наряду с сопутствующим вытеснением более мелкими молекулами, вероятно, играет значительную роль во взаимодействии слабозаряженных молекул с биологическими мембранами и другими заряженными поверхностями, — сказал Хугерхейд, физик из Центра нейтронных исследований NIST (NCNR). — Это имеет значение для дизайна и доставки лекарств, а также для поведения частиц в переполненных средах на наномасштабе».

Область рядом с мембранами может быть очень «оживлённой». Тысячи различных молекул теснятся друг с другом и у мембраны. Меньшие молекулы, такие как соли, движутся относительно легко, но движение более крупных молекул, таких как белки, ограничено.

«Как молекулярная толчея влияет на клетку и её поведение? Как, например, молекулы в этом "супе" сортируются внутри клетки? Эффект мембраны может иметь значение», — отметил Хугерхейд.

Хотя исследователи обычно используют электрические поля для перемещения и разделения молекул (техника, называемая диэлектрофорезом), этому эффекту на наноуровне уделялось мало внимания, потому что для перемещения наночастиц требуются чрезвычайно мощные поля. Именно такие мощные поля и генерирует заряженная мембрана.

«Электрическое поле прямо рядом с мембраной в солёном растворе, подобном тому, что есть в нашем теле, может быть поразительно сильным, — пояснил Хугерхейд. — Его сила быстро падает с расстоянием, создавая большие градиенты поля, которые, как мы предположили, могут отталкивать близлежащие частицы. Поэтому мы использовали нейтронные пучки, чтобы изучить это».

Команда провела эксперименты с молекулами ПЭГ (полиэтиленгликоля), которые образуют незаряженные наночастицы. Используя технику нейтронной рефлектометрии в NCNR, а также приборы в Национальной лаборатории Ок-Ридж, они измерили, насколько близко частицы ПЭГ подходят к мембране.

Вместе с моделированием молекулярной динамики эксперименты впервые показали, что мощные градиенты полей мембран являются причиной отталкивания: молекулы ПЭГ отталкивались от заряженных поверхностей сильнее, чем от нейтральных.

«Нам нужно добавить это к нашему пониманию того, как объекты взаимодействуют на наноуровне, — заключил Хугерхейд. — Мы продемонстрировали силу и значимость этого взаимодействия. Теперь необходимо исследовать, как оно влияет на эти переполненные среды, где происходит так много биологических процессов».