Магнитные наночастицы для одновременного контроля тысяч клеток

Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук им. Генри Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) использовали кластеры крошечных магнитных частиц, примерно в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса, чтобы показать, что могут управлять тем, как тысячи клеток делятся, меняют форму и образуют пальцевидные выросты.

Этот новый инструмент можно использовать в биологии развития для понимания формирования тканей или в исследованиях рака для изучения того, как раковые клетки перемещаются и проникают в окружающие ткани.

Результаты работы команды UCLA были опубликованы онлайн 14 октября в журнале Nature Methods.

Клетку можно рассматривать как сложную биологическую машину, которая получает набор «входных сигналов» и производит специфические «выходные сигналы», такие как рост, движение, деление или выработка молекул. Помимо типа сигнала, клетки чрезвычайно чувствительны к его локализации, отчасти потому, что они выполняют «пространственное мультиплексирование», повторно используя одни и те же базовые биохимические сигналы для разных функций в разных частях клетки.

Изучение этой локализации сигналов особенно сложно, поскольку у учёных нет инструментов с достаточным разрешением и контролем для работы внутри миниатюрной среды клетки. Любой пригодный инструмент должен уметь воздействовать на множество клеток со схожими характеристиками одновременно, чтобы получить точное распределение ответов, поскольку реакции отдельных клеток могут различаться.

Для решения этой проблемы междисциплинарная команда UCLA, в которую вошли доцент биоинженерии Дино Ди Карло, постдок Питер Ценг и профессор электротехники Джек Джуди, разработала платформу для точного управления магнитными наночастицами внутри клеток одинаковой формы. Эти наночастицы создавали локальный механический сигнал и вызывали различные реакции клеток.

Определяя реакции тысяч отдельных клеток одинаковой формы на локальные стимулы, индуцированные наночастицами, исследователи смогли провести автоматическое усреднение клеточного ответа.

Для создания этой платформы команде сначала пришлось преодолеть проблему перемещения таких мелких частиц (размером 100 нанометров каждая) через вязкую внутреннюю среду клетки после их поглощения. Используя ферромагнитные технологии, которые позволяют магнитным материалам «включаться» и «выключаться», команда разработала подход для встраивания сетки из небольших ферромагнитных блоков в микроструктурированное стекло и точного размещения отдельных клеток рядом с этими блоками с помощью рисунка из белков, к которым клетки прилипают.

При приложении внешнего магнитного поля к этой системе ферромагнитные блоки «включаются» и могут тянуть наночастицы внутри клеток в определённых направлениях, равномерно их выравнивая. Таким образом, исследователи смогли формировать и контролировать силы в тысячах клеток одновременно.

Используя эту платформу, команда показала, что клетки реагируют на эту локальную силу несколькими способами, в том числе меняя способ деления. Когда клетки проходят процесс репликации для создания двух клеток, ось деления зависит от формы клетки и точек прикрепления, с помощью которых клетка удерживается на поверхности. Исследователи обнаружили, что сила, индуцированная наночастицами, может изменить ось деления клетки так, что клетки начинают делиться вдоль направления силы.

Эта чувствительность к силе может пролить свет на сложное формирование и растяжение тканей во время эмбрионального развития. Помимо направления оси деления, учёные обнаружили, что локальная сила, индуцированная наночастицами, также приводит к активации биологической программы, в которой клетки генерируют филоподии — пальцевидные выросты, богатые актином, которые клетки часто используют для поиска мест прикрепления и которые способствуют движению.

Ди Карло, главный исследователь проекта, предполагает, что эту технику можно применять не только для контроля механических стимулов в клетках.

«Наночастицы можно покрывать различными молекулами, важными для клеточной сигнализации, — сказал он. — Теперь у нас должен быть инструмент для количественного исследования того, как точное расположение молекул в клетке приводит к определённому поведению. Это ключевой недостающий элемент в нашем наборе инструментов для понимания клеточных программ и для инженерии клеток, чтобы они выполняли полезные функции».