Нано-зонд может открыть новое окно в поведение клеток

Для создания лекарств, способных воздействовать на самые разрушительные заболевания человека, ученым необходимо сначала расшифровать, как именно клетка или группа клеток взаимодействует с другими клетками и реагирует на сложные биомолекулы вокруг.

Однако даже самые совершенные современные инструменты для изучения клеточных коммуникаций имеют существенные недостатки. Обычно они могут обнаруживать лишь узкую группу малых молекул, а для более сложного анализа клетки необходимо разрушить для подготовки образца. Это затрудняет наблюдение за сложными клеточными взаимодействиями в их естественной среде — организме человека.

Исследователи из Технологического института Джорджии создали наноразмерный зонд, Сканирующий масс-спектрометрический (SMS) зонд, который может одновременно захватывать биохимический состав и топографию сложных биологических объектов в их нормальной среде. Это открывает путь к открытию новых биомаркеров и улучшению генетических исследований, что приведет к лучшей диагностике заболеваний и разработке лекарств на клеточном уровне. Исследование было представлено в июльском выпуске журнала IEEE Electronics Letters.

Новый инструмент, потенциально очень ценный для развивающейся науки системной биологии, может помочь исследователям лучше понять клеточные взаимодействия на фундаментальном уровне, включая клеточную сигнализацию, а также идентифицировать экспрессию белков и реакцию на внешние стимулы (например, воздействие лекарств или изменение среды) — от уровня органа до уровня ткани и даже отдельной клетки.

"В своей основе болезнь — это нарушение нормальной клеточной сигнализации", — сказал доктор Андрей Федоров, профессор Школы машиностроения Вудраффа и ведущий исследователь проекта. — "Поэтому, если понять сеть и все сигналы на самом фундаментальном уровне, можно будет контролировать и корректировать их при необходимости. SMS-зонд может помочь картировать все эти сложные и запутанные пути клеточной коммуникации, исследуя активность клеток в их естественной среде".

SMS-зонд позволяет аккуратно извлекать биомолекулы (белки, метаболиты, пептиды) точно в определенной точке на поверхности клетки/ткани, ионизировать их, создавая "сухие" ионы, пригодные для анализа, и затем транспортировать эти ионы в масс-спектрометр для идентификации. Зонд делает это динамически, сканируя поверхность и потенциально в реальном времени картируя клеточную активность и коммуникацию. По сути, в режиме сканирования SMS-зонд может создавать изображения, подобные фильмам о биохимической активности клеток с высоким пространственным и временным разрешением.

SMS-зонд легко интегрируется с атомно-силовым микроскопом (AFM) или другими сканирующими зондами и может не только визуализировать биохимическую активность, но и отслеживать изменения топологии клетки/ткани во время сканирования.

"Зонд потенциально позволяет нам детектировать сложные механо-био-электро-химические события, лежащие в основе клеточной коммуникации, и все одновременно!" — сказал Федоров. — "Будущая работа заключается в доработке идеи и создании универсального инструмента, который биологи и медики смогут использовать для продвижения границ биомедицинских исследований".

Ключевой задачей для команды из Джорджии, в которую входит доктор Левент Дегертекин, было создать способ для масс-спектрометра — основного инструмента изучения белков — отбирать биомолекулы из малой области и делать это динамически, обеспечивая биохимическую визуализацию. Исследователям нужно было найти способ извлечь целевые молекулы из образца, как будто виртуальным пинцетом, и затем перевести эти молекулы в сухое и электрически заряженное состояние, пригодное для масс-спектрометрического анализа.

Решение проблемы пришло из трюка, связанного с базовой гидродинамикой ионных жидкостей. Исследователи использовали сильные капиллярные силы, чтобы удержать жидкость в наноразмерном домене входа зонда (обеспечивая естественное разделение жидкой и газовой сред), а затем применили классическое электро-гидродинамическое фокусирование струй Тейлора для получения заряженных ионов, но в обратном (тянущем) режиме, а не в обычно используемом прямом (толкающем).

Источник: Технологический институт Джорджии