Многофункциональные плазмонные нанопузырьки: одни клетки уничтожают, другие — модифицируют

Исследователи из Университета Райса разработали метод, позволяющий одновременно уничтожать одни больные клетки и обрабатывать другие в одном образце. Процесс, активируемый импульсом лазерного света, не затрагивает соседние здоровые клетки.

Уникальное применение настраиваемых плазмонных нанопузырьков, разработанных в лаборатории Дмитрия Лапотько, обещает заменить несколько сложных процедур, используемых для лечения онкологических пациентов, на быстрый, простой и многофункциональный процесс.

Исследование опубликовано в журнале ACS Nano Американского химического общества. Работу провели Лапотько, ведущий автор и научный сотрудник Екатерина Лукиянова-Хлеб и студент бакалавриата Мартин Матонга при содействии Центра клеточной и генной терапии Медицинского колледжа Бейлора (BCM), Детской больницы Техаса и Онкологического центра им. М. Д. Андерсона.

Плазмонные нанопузырьки, которые в 10 000 раз меньше человеческого волоса, вызывают крошечные взрывы. Пузырьки образуются вокруг плазмонных золотых наночастиц, которые нагреваются при возбуждении внешним источником энергии — в данном случае коротким лазерным импульсом — и испаряют тонкий слой жидкости у поверхности частицы. Паровой пузырь быстро расширяется и схлопывается. Лапотько и его коллеги ранее установили, что плазмонные нанопузырьки уничтожают раковые клетки, буквально взрывая их, без повреждения здоровых соседей. Этот процесс показал гораздо более высокую точность и селективность по сравнению с методами, использующими только золотые наночастицы.

Новый проект развивает эту способность дальше. Серия экспериментов доказала, что одиночный лазерный импульс создает большие плазмонные нанопузырьки вокруг полых золотых нанооболочек, которые селективно разрушают нежелательные клетки. Тот же импульс создает меньшие нанопузырьки вокруг твердых золотых наносфер, которые пробивают крошечное временное отверстие в стенке клетки и создают входящий наноструйный поток, быстро «впрыскивающий» лекарства или гены в другие клетки.

В экспериментах команда поместила полые нанооболочки шириной 60 нанометров в модели раковых клеток и окрасила их в красный цвет. Отдельно они поместили наносферы шириной 60 нанометров в тот же тип клеток и окрасили их в синий.

После смешивания клеток в суспензии с зеленым флуоресцентным красителем они направили один широкий лазерный импульс на объединенный образец, отмыли зеленый краситель и исследовали клетки под микроскопом. Красные клетки с полыми нанооболочками были разрушены большими плазмонными нанопузырьками. Синие клетки остались целыми, но зеленый краситель извне попал внутрь них, так как меньшие нанопузырьки вокруг твердых наночастиц временно приоткрыли клеточные стенки.

Поскольку весь процесс занимает доли секунды, в проточной системе, подобной разрабатываемой в Райсе, можно селективно обрабатывать до 10 миллиардов клеток в минуту. Это может продвинуть вперед клеточную и генную терапию, а также трансплантацию костного мозга.

Большинство методов клеточной и генной терапии требуют ex vivo (вне организма) обработки клеточных трансплантатов для устранения нежелательных (например, раковых) клеток и генетической модификации других клеток для повышения их терапевтической эффективности. «Современная обработка клеток часто медленная, дорогая и трудоемкая, страдает от высоких потерь клеток и низкой селективности. В идеале и элиминация, и трансфекция должны быть высокоэффективными, селективными, быстрыми и безопасными».

Технология плазмонных нанопузырьков обещает «метод одновременного выполнения нескольких операций с популяцией клеток», — сказал Малкольм Бреннер, профессор медицины и педиатрии в BCM. — «Например, если я хочу ввести что-то в стволовую клетку, чтобы она превратилась в другой тип клеток, и одновременно убить окружающие клетки, которые потенциально могут навредить при введении пациенту, эти легко настраиваемые нанопузырьки имеют такой потенциал».

Долгосрочная цель совместной работы — улучшить результаты лечения пациентов с заболеваниями, требующими ex vivo обработки клеток.

Лапотько планирует создать прототип технологии с целью тестирования на человеческих клетках в ближайшем будущем. «Мы хотим, чтобы это стало универсальной платформой для клеточной и генной терапии, а также для трансплантации стволовых клеток».