Наночастицы позволили впервые измерить механику раковых клеток в живых организмах

Исследователи из Мичиганского, Джонса Хопкинса и Стэнфордского университетов разработали первую в своём роде методику визуализации in vivo на основе наночастиц. Она может в будущем использоваться для диагностики и даже лечения рака.

Техника измеряет механические свойства клеток в живых организмах, исследуя фундаментальные связи между физикой и биологией in vivo. Результаты опубликованы в журнале Materials Today.

Команда под руководством Брайана Смита создала крошечные частицы, которые, попав внутрь живых клеток, могут раскрыть важную информацию об их структуре — в том числе о том, как опухолевые клетки физически меняются при формировании опухоли.

«Мы впервые получили возможность измерять и количественно оценивать наномеханические свойства отдельных живых клеток в теле живого животного», — заявил Смит.

В новом исследовании учёные создали наночастицы, которые можно внедрить в различные типы клеток, включая раковые клетки молочной железы, в живых организмах. Анализ движения частиц внутри клетки может многое рассказать о её внутренних физических свойствах.

«Ранее не существовало методов для изучения механических свойств в живых организмах — например, у млекопитающих — с высоким пространственным разрешением», — отметил Смит.

В текущем исследовании команда использовала наночастицы, чтобы сначала сравнить механические свойства клеток в культуре (как в стандартных 2-D, так и в 3-D условиях) и в живых животных.

Отслеживание движения наночастиц показало, что среда, в которой наблюдаются клетки, сильно влияет на их механические свойства. Это означает, что некоторые клеточные модели могут плохо воспроизводить условия в живых организмах.

«Это говорит исследователям рака, интересующимся механикой опухолей, что 2-D условия могут плохо её реплицировать, а определённые 3-D условия гораздо ближе к имитации условий в живой мыши», — пояснил Смит.

Следующая часть эксперимента была посвящена тому, что происходит со внутренней структурой раковых клеток, когда они начинают формировать опухоль. Предыдущие методы не могли ответить на этот вопрос, так как были слишком инвазивными для тестирования на живых субъектах.

Наблюдая за движением наночастиц внутри клеток, команда измерила, насколько клетки «податливы» или мягки. Важно, что они обнаружили: податливость нормальных клеток оставалась стабильной с течением времени, но по мере того, как раковые клетки формировали опухоль в течение недели, они становились жёстче.

«Мы обнаружили, что по мере начала формирования опухоли в живой мыши отдельные опухолевые клетки механически твердеют. Это фундаментальное открытие, которое в конечном итоге, вероятно, будет иметь значение для распространения рака (метастазирования) и летальности опухоли», — сказал Смит.

Исследование имеет ряд перспективных применений в медицине:

• Оценка того, какие методы культивирования клеток достаточно похожи на живые организмы.
• Измерение механических свойств клеток при обычных биологических функциях, включая развитие органов.
• Возможно, самое интересное — диагностика и лечение заболеваний.

Наночастицы могут использоваться для мониторинга состояния клеток и типов изменений, которые они претерпевают при заболеваниях, и даже для изменения этого процесса.

Смит и его коллеги планируют изучить формирование и распространение метастазов рака, которые вызывают около 90% смертей от рака.

«Я надеюсь, что однажды мы сможем лечить физику метастазирования. Но сначала мы должны понять механику и то, как её изменение влияет на поведение клеток. Сейчас мы как раз над этим работаем», — заключил он.