Нанороботы-зонды для изучения раковой среды

Междисциплинарная группа исследователей из Индийского института науки (IISc) использовала 3D-модель опухоли и нанороботы, управляемые магнитным полем, для изучения микроокружения раковых клеток. В команду вошли учёные из Центра нанонауки и наноинженерии (CeNSE) и Департамента молекулярной репродукции, развития и генетики (MRDG).

В работе, опубликованной в Angewandte Chemie, исследователи дистанционно управляли спиральными нанороботами с помощью внешнего магнитного поля внутри модели опухоли, чтобы детектировать, картировать и количественно оценивать изменения в клеточной среде. Модель включает как здоровые, так и раковые клетки, внедрённые в реконструированный матрикс базальной мембраны, и имитирует среду рака молочной железы.

Исследование демонстрирует новый способ нацеливания на раковые клетки путём маневрирования нанороботами внутри опухоли и ожидания их локализации вблизи злокачественного участка. «Мы попытались направить нанороботов к раковым клеткам в модели опухоли и наблюдали, как они прилипают к матриксу возле раковых клеток, но этого не наблюдалось возле нормальных клеток», — говорит Дебаян Дасгупта, соавтор и аспирант CeNSE.

Внеклеточный матрикс (ECM) — это сложная 3D-сеть белков и углеводов, секретируемых живыми клетками в своё окружение. Однако когда раковые клетки секретируют новый материал в ECM, это нарушает химический и физический состав нативного ECM вокруг здоровых клеток, ухудшая локальную среду. Поэтому понимание того, как клеточное микроокружение изменяется из-за раковых клеток, и количественное измерение этих изменений может иметь решающее значение для понимания прогрессирования рака.

В данном исследовании учёные обнаружили, что по мере приближения нанороботов к мембране раковой клетки они прилипали к матриксу сильнее, чем к нормальным клеткам. Чтобы измерить силу адгезии, команда рассчитала необходимую для её преодоления напряжённость магнитного поля.

«Это означает, что раковые клетки что-то делают. Мы провели измерения и обнаружили, что [сила адгезии] зависит от типа клеток, силы взаимодействия и от того, с какой стороны клетки приближался наноробот», — объясняет Амбариш Гхош, доцент CeNSE и один из старших авторов. «В итоге мы действительно открыли физическое свойство важной биологической среды».

Причина, по которой нанороботы лучше прилипают к раковым клеткам, — их заряженный ECM. Исследователи обнаружили, что это может быть связано с присутствием 2,3-связанной сиаловой кислоты — молекулы, конъюгированной с сахаром, которая придаёт отрицательный заряд среде вокруг раковой клетки. Они визуализировали распределение этих сахаров с помощью флуоресцентных маркеров и обнаружили, что сиаловые кислоты распределены на расстоянии до 40 микрометров от поверхности раковой клетки — на том же расстоянии нанороботы испытывали сильную адгезию.

Чтобы противодействовать этому эффекту, команда покрыла нанороботов перфтороктилтриэтоксисиланом (PFO), который экранировал их от заряженной среды. Покрытые нанороботы не прилипали к матриксу возле раковых клеток, в то время как непокрытые прилипали, что подтвердило факт взаимодействия отрицательно заряженной раковой микросреды с нанороботами, приводящего к их обездвиживанию.

«Прекрасным сюрпризом стало то, что в такой среде агрессивные раковые клетки ремоделируют своё окружение, делая его более липким и богатым специфическими заряженными сахарами», — говорит Рамрей Бхат, доцент MRDG и один из старших авторов. «Этот заряд потенциально можно использовать для нацеливания и уничтожения крошечных популяций раковых клеток, скрытых среди нормальных, для чего мы расширяем эти исследования на живых животных».