Роботизированный нанозонд позволяет точно извлечь отдельную митохондрию из живой клетки

Митохондриальная дисфункция связана с различными хроническими заболеваниями и раком, включая нейродегенеративные заболевания и метаболический синдром. Аккуратное извлечение отдельной митохондрии из живой клетки — без повреждений и без использования флуоресцентных маркеров — долгое время было сложной задачей для учёных.

Команда под руководством профессора Ричарда Гу Хунгри из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) разработала автоматизированный роботизированный нанозонд в сотрудничестве с экспертами в области машиностроения и биомедицины.

Устройство может перемещаться внутри живой клетки, в реальном времени улавливать метаболические сигналы и извлекать отдельную митохондрию для анализа — всё без необходимости флуоресцентного мечения. Это первый в мире нанозонд для манипуляций с клетками, который интегрирует на своём кончике как сенсоры, так и актуаторы, позволяя микророботу автономно перемещаться внутри живых клеток. Прорыв открывает большие перспективы для разработки будущих стратегий лечения хронических заболеваний и рака.

Работа опубликована в журнале Science Advances.

От визуализации к сенсорике

Традиционная внутриклеточная "микрохирургия" сильно зависит от ручных операций и флуоресцентных сигналов, что может повредить клетку и помешать последующим анализам. Чтобы преодолеть эти ограничения, команда разработала метод не визуализации, а сенсорного обнаружения митохондрий.

На кончике нанозонда находятся два наноэлектрода, которые детектируют кратковременные всплески активных форм кислорода и азота (ROS/RNS) — побочных продуктов митохондриального метаболизма. В сочетании с автоматизированной платформой кончик может отслеживать эти сигналы в реальном времени внутри живых клеток.

Как только сигнал превышает заданный порог, тот же кончик меняет функцию: крошечные диэлектрофоретические нанопинцеты создают неоднородное электрическое поле, которое захватывает ближайшую митохондрию в пределах примерно ста нанометров, позволяя извлечь её в субмикрометровом масштабе с минимальным возмущением. Ключевой момент — колокализация: сенсор и актуатор действуют в одной и той же наноразмерной точке.

Революция в манипуляциях с клетками

Не менее важно то, что происходит вне клетки. Команда интегрировала нанозонд в роботизированный рабочий процесс, который стандартизирует и записывает каждый шаг: приближение к целевой клетке, обнаружение её поверхности, проникновение через мембрану, отслеживание электрохимических токов, активацию диэлектрофоретической ловушки и безопасное извлечение. Эта процедура снижает инвазивность и позволяет проводить повторный забор проб из той же клетки.

Подтверждение функциональности митохондрий

Для подтверждения присутствия извлечённых митохондрий был проведён количественный ПЦР-анализ. Примечательно, что при трансплантации в клетки-реципиенты импортированные митохондрии сливались с сетью хозяина и подвергались делению, демонстрируя характерное поведение здоровых органелл. То есть извлечённые митохондрии не только могут вернуться в клетку, но и остаются функциональными.

Профессор Гу заявил: "Теперь исследователи могут отбирать митохондрии из отдельных живых клеток без мешающего влияния флуоресцентных меток. Эти образцы можно комбинировать с геномными или биохимическими анализами, что открывает новые возможности для малоинвазивных хирургических исследований заболеваний, связанных с митохондриальной дисфункцией. Система также позволяет проводить трансплантацию органелл, приближая давно предполагаемую возможность сборки 'дизайнерских' клеток из живых компонентов".

Платформа для будущего

Поскольку метаболические или ионные сигнатуры могут направлять зонд к другим органеллам, а диэлектрофоретические ловушки можно настраивать, эта технология высокоуниверсальна. В перспективе команда планирует расширить библиотеку немеченых мишеней, повысить эффективность зонда и интегрировать аналитику после экстракции.

Эта демонстрация знаменует собой более стандартизированную операционную процедуру для микрохирургии отдельных клеток, прокладывая путь к преобразующим достижениям в клеточных исследованиях и терапевтических приложениях.