Нано-канальная электропорация: точная генная терапия без иглы

Впервые исследователи разработали метод введения точной дозы агента генной терапии непосредственно в отдельную живую клетку без использования иглы.

Техника использует электричество, чтобы «выстрелить» фрагментами терапевтических биомолекул через крошечный канал в клетку за доли секунды.

Л. Джеймс Ли и его коллеги из Университета штата Огайо описывают технику в онлайн-версии журнала Nature Nanotechnology, сообщая об успешном введении специфических доз противоракового гена в отдельные клетки лейкемии для их уничтожения.

Они назвали метод «нано-канальной электропорацией» (НКЭ, NEP).

«NEP позволяет нам исследовать, как лекарства и другие биомолекулы влияют на клеточную биологию и генетические пути на уровне, недостижимом никакими существующими техниками», — сказал Ли.

Долгое время существовали способы введения случайных количеств биоматериала в большие популяции клеток для генной терапии. Тонкие иглы могут вводить специфические количества материала в крупные клетки. Но большинство человеческих клеток слишком малы для использования даже самых тонких игл.

NEP решает проблему, помещая клетку внутрь электронного устройства рядом с резервуаром терапевтического агента. Электрические импульсы выталкивают агент из резервуара через нанометровый канал в устройстве, сквозь клеточную стенку и внутрь клетки. Исследователи контролируют дозу, регулируя количество импульсов и ширину канала.

В статье объясняется, как они создали прототипы устройств с использованием полимерных штампов. Они использовали отдельные нити ДНК в качестве шаблонов для нанометровых каналов.

Ли изобрёл технику распрямления нитей ДНК и формирования их в точные паттерны, чтобы они могли работать как провода в биологических электронных и медицинских устройствах. Но для этого исследования позолоченные нити ДНК натягивали между двумя резервуарами, а затем вытравливали, чтобы оставить нано-канал точных размеров, соединяющий резервуары внутри полимерного устройства.

Электроды в каналах превращают устройство в крошечную схему, и электрические импульсы в несколько сотен вольт проходят от резервуара с терапевтическим агентом через нано-канал во второй резервуар с клеткой. Это создаёт сильное электрическое поле на выходе из нано-канала, которое взаимодействует с естественным электрическим зарядом клетки, чтобы принудительно открыть отверстие в клеточной мембране — достаточно большое для доставки агента, но достаточно маленькое, чтобы не убить клетку.

В тестах они смогли ввести агенты в клетки всего за несколько миллисекунд.

Сначала они пометили фрагменты синтетической ДНК флуоресцентными молекулами и использовали NEP для их введения в человеческие иммунные клетки. После одного 5-миллисекундного импульса они начали видеть пятна флуоресценции внутри клеток. Они тестировали импульсы длительностью до 60 миллисекунд, что полностью заполняло клетки флуоресценцией.

Чтобы проверить, может ли NEP доставлять активные терапевтические агенты, они ввели фрагменты терапевтической РНК в клетки лейкемии. Импульсы длительностью всего 5 миллисекунд доставили достаточно РНК, чтобы убить часть клеток. Более длинные импульсы — около 10 миллисекунд — убили почти все. Для сравнения они ввели безвредную РНК в другие клетки лейкемии, и те клетки выжили.

В настоящее время процесс лучше всего подходит для лабораторных исследований, сказал Ли, потому что он работает только с одной или несколькими клетками за раз. Но он и его команда работают над способами одновременной инъекции во множество клеток. В настоящее время они разрабатывают механическую систему загрузки клеток, которая позволит вводить до 100 000 клеток одновременно, что потенциально сделает возможной клиническую диагностику и лечение.

«Мы надеемся, что NEP в конечном итоге может стать инструментом для раннего обнаружения и лечения рака — например, для введения точных количеств генов или белков в стволовые или иммунные клетки, чтобы направлять их дифференцировку и изменения — без проблем с безопасностью, вызванных передозировкой, и с последующим возвращением клеток в организм для клеточной терапии», — добавил Ли.

Он видит потенциальные применения для диагностики и лечения лейкемии, рака лёгких и других опухолей. Он сотрудничает с исследователями из Комплексного онкологического центра Университета штата Огайо для изучения этих возможностей.