Генерация сигнальной молекулы газа в организме по требованию

Оксид азота (NO) — важная сигнальная молекула в организме. Он участвует в построении нейронных связей, способствующих обучению и памяти, а также действует как мессенджер в сердечно-сосудистой и иммунной системах.

Однако исследователям было сложно изучить его точную роль и механизмы действия. Поскольку это газ, не существовало практического способа направлять его к конкретным отдельным клеткам для наблюдения за эффектами. Теперь команда учёных и инженеров из MIT и других учреждений нашла способ генерировать газ в точно заданных местах внутри тела, что потенциально открывает новые направления для изучения эффектов этой важной молекулы.

Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology в статье профессоров MIT Полины Аникеевой, Картиша Мантирама и Йоэля Финка; аспиранта Джимин Парка; постдока Кёнсука Джина и 10 других соавторов из MIT, Тайваня, Японии и Израиля.

До сих пор большинство исследований изучали системные эффекты, "выключая" гены, ответственные за производство ферментов для синтеза NO. Этот подход, по словам Аникеевой, слишком грубый, так как влияет на весь организм и может иметь побочные эффекты. Другие методы с использованием соединений, медленно высвобождающих NO, также недостаточно локализованы и контролируемы.

Решение команды использует электрическое напряжение для управления реакцией производства NO, аналогично некоторым промышленным электрохимическим процессам. Ключевым достижением стала возможность эффективно и избирательно проводить такую реакцию в наномасштабе.

Механизм метода:

1. Катализатор: Учёные создали наночастицы сульфида железа (FeS), вдохновившись железо-серными центрами природных ферментов, производящих NO. Легирование наночастиц платиной повысило их электрохимическую эффективность.
2. Прекурсор: В качестве исходного безопасного соединения используется нитрит (NO₂^-).
3. Устройство: Команда создала специальные микроволокна, содержащие микроэлектроды (покрытые наночастицами FeS) и микрожидкостный канал для доставки прекурсора — нитрита натрия (NaNO₂).

При имплантации в мозг эти волокна доставляют прекурсор к определённым нейронам. Реакция активируется по желанию с помощью электродов в том же волокне, производя мгновенный выброс NO в нужном месте, что позволяет регистрировать его эффекты в реальном времени.

В тестах на грызунах система активировала область мозга, связанную с системой вознаграждения, мотивацией и социальным взаимодействием, и вызвала ожидаемые сигнальные ответы.

Значение и перспективы:

• Метод предоставляет исследовательскую платформу для изучения роли NO на уровне отдельных клеток в функционирующем организме.
• Он может быть полезен для исследования нарушений, связанных со сбоями в сигнальном пути NO.
• Подход является обобщаемым: в теории с ним можно производить и другие биологически значимые молекулы внутри организма, подобрав подходящий катализатор и безопасный прекурсор.
• Это первый случай использования электролиза в биологической системе для контроля биологической функции, что может положить начало новому направлению в нейробиологии и других областях.