Нанотрубки из оксида титана обеспечивают недорогую лазерную фотопорацию

Исследовательская группа с кафедры машиностроения Технологического университета Тоёхаси разработала метод фотопорации с помощью наносекундного импульсного лазера, использующий нанотрубки из оксида титана (TNT) для высокоэффективной и недорогой доставки молекул внутрь клеток. Результаты исследования будут опубликованы в журнале Applied Surface Science 30 марта 2021 года (статья 148815).

Возможность доставки внешних молекул в живые клетки с высокой жизнеспособностью клеток и эффективностью трансфекции представляет большой интерес для клеточной биологии в целях диагностики, доставки лекарств и разработки терапии для клеточной терапии и регенеративной медицины.

Среди существующих методов фотопорация становится популярной в последние годы благодаря меньшей инвазивности. В этом методе для перфорации клеток используются золотые наночастицы, поглощающие импульсный свет, однако эти материалы дороги. Желательно использовать менее дорогие наноматериалы, сохраняя высокую эффективность доставки и жизнеспособность клеток.

Исследовательская группа разработала и изготовила экономичный массив нанотрубок для фотопорации. TNT формировались на титановых пластинах при разных напряжениях и времени с помощью метода электрохимического анодирования. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) выявила наличие различных видов оксида титана, таких как TiO₂ и Ti_xO_y (TiO/Ti₂O₃/Ti₃O₅). Нанотрубки, сформированные при разных параметрах, имели разную концентрацию этих окисленных видов, а также небольшое количество металлического титана (Ti0). Благодаря образованию кислородных дефектов нанотрубки приобретают квазиметаллические и металлические свойства. Эти свойства могут способствовать внутриклеточной доставке различными механизмами после облучения наносекундным импульсным лазером.

Клетки рака шейки матки человека HeLa культивировали на TNT и вводили раствор биомолекул. После воздействия на нанотрубки импульсным лазером с длиной волны 532 нм исследователи успешно доставили йодид пропидия (PI) и декстран в клетки HeLa с высокой эффективностью и жизнеспособностью клеток.

Возможные принципы перфорации клеточной мембраны включают термоопосредованные нанопузырьки, индуцированные фотохимически активные формы кислорода (ROS), теплопередачу от нанотрубок к мембране и локальное усиление электромагнитного поля поверхностным плазмонным резонансом на каждой нанотрубке. Это приводит к образованию кавитационных нанопузырьков на границе раздела каждой клеточной мембраны и нанотрубки, которые могут быстро расти, сливаться и схлопываться, вызывая взрывы и перфорацию мембраны, что позволяет биомолекулам проникать в клетки.

«Точный механизм внутриклеточной доставки при фотопорации на основе TNT всё ещё не ясен. Доставка может происходить за счёт комбинации механизмов», — говорит исследователь Л. Мохан из Технологического университета Тоёхаси.

Руководитель группы Моэто Нагаи считает, что нанотрубки из оксида титана могут стать универсальной и недорогой платформой для внутриклеточной доставки с использованием импульсного лазера. Ключевые особенности метода — параллельная и контролируемая равномерная доставка с высокой эффективностью и жизнеспособностью клеток, что потенциально применимо для клеточной терапии и регенеративной медицины.