Нановзрывы от лазерно-активируемых наночастиц доставляют молекулы, белки и ДНК в клетки

Исследователи продемонстрировали новую технику прямой доставки терапевтических малых молекул, белков и ДНК в живые клетки с помощью химических "нановзрывов", которые проделывают крошечные отверстия в защитных мембранах клеток.

Углеродные наночастицы, активируемые импульсами лазерного света, запускают крошечные взрывы, которые открывают отверстия в клеточных мембранах ровно настолько долго, чтобы впустить терапевтические агенты из окружающей жидкости. Регулируя экспозицию лазера, исследователи доставили малую молекулу-маркер в 90% целевых клеток, сохранив при этом жизнеспособность более 90% клеток.

Исследование спонсировалось Национальными институтами здравоохранения (NIH) и Институтом науки и технологии бумаги в Технологическом институте Джорджии. Результаты будут опубликованы в августовском номере журнала Nature Nanotechnology.

Новый подход к доставке генов и лекарств

Техника основана на так называемом "фотоакустическом эффекте". Процесс начинается с введения частиц сажи (углеродных наночастиц) диаметром 25 нанометров в жидкость, окружающую клетки. Затем на жидкость воздействуют импульсами ближнего инфракрасного света от фемтосекундного лазера с частотой 90 миллионов импульсов в секунду.

Частицы поглощают свет, нагреваются и нагревают окружающую жидкость, образуя пар. Пар реагирует с углеродными наночастицами с образованием водорода и монооксида углерода. Эти газы формируют пузырь, который растет, пока лазер подает энергию. При выключении лазера пузырь резко схлопывается, создавая ударную волну, которая проделывает отверстия в мембранах близлежащих клеток. Отверстия быстро закрываются, позволяя клетке выжить.

Экспериментальные доказательства

Исследователи продемонстрировали доставку через мембраны клеток рака простаты человека и глиосаркомы крысы:

• Малой молекулы кальцеина
• Белка бычьего сывороточного альбумина
• Плазмидной ДНК

Поглощение кальцеина наблюдалось в 90% клеток при уровнях лазерного воздействия, оставивших в живых более 90% клеток. Эксперименты подтвердили, что отверстия в мембране закрываются почти мгновенно.

Критическая роль углерода

Для проверки механизма ученые заменили углеродные наночастицы на золотые наночастицы или углеродные нанотрубки. В обоих случаях поглощение молекул клетками было минимальным, что подтвердило ключевую роль реакции углерода с паром.

Введенная с помощью новой техники ДНК оставалась функциональной: плазмидная ДНК, кодирующая люциферазу, привела к 17-кратному увеличению продукции этого белка в раковых клетках.

Перспективы и дальнейшие шаги

Это первое исследование, демонстрирующее принцип лазерной активации реакционноспособных углеродных наночастиц для доставки лекарств и генов. До применения в медицине необходимы дополнительные исследования и клинические испытания.

В планах ученых — замена дорогого фемтосекундного лазера на более доступный наносекундный и оптимизация наночастиц для их полного расходования в процессе реакции.