Углеродные нанотрубки-инъекторы исследуют живые клетки без повреждений

Для исследования процессов внутри отдельной человеческой клетки или даже её конкретных органелл нужен инструмент, достаточно маленький и контролируемый, чтобы пройти через деликатную клеточную мембрану. Углеродные нанотрубки (CNT) с их игольчатой геометрией, высокой эластичностью и прочностью оказались подходящим решением.

Учёные из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли создали «наноинъектор» на основе CNT, который стал первым устройством, проникающим в клетку без повреждения мембраны, даже после многочасового и многократного использования. Более громоздкие предыдущие методы стабильно повреждали мембрану уже через несколько секунд проникновения.

«Это первый клеточный инъектор с пространственным и временным контролем на нанометровом масштабе, который может доставить дискретное число молекул и не повреждает клеточную мембрану», — пояснил Син Чен. «Чем меньше возмущение [клетки], тем лучше для изучаемых систем. В случае доставки/инъекции в клетку, если нанесено слишком много повреждений, клетка погибает».

Ключ к успеху CNT — их малый размер. При диаметре около 1 нанометра (как у отдельного белка) нанотрубка прокалывает отверстие настолько малое, что оно быстро затягивается за счёт диффузии липидов.

Установка состоит из многостенной CNT, прикреплённой к кантилеверу атомно-силового микроскопа (AFM). AFM контролирует перемещение иглы с нанометровым разрешением, а также прилагает и измеряет силы, действующие на клеточную мембрану.

В эксперименте «грузом» для CNT служили квантовые точки — флуоресцентные наночастицы, обеспечивающие высокую видимость для отслеживания отдельных частиц внутри клетки. Для загрузки и высвобождения груза учёные использовали соединение на основе дисульфидной связи. В окислительной среде вне клетки дисульфид стабилен и удерживает квантовые точки; в восстановительной среде внутри клетки дисульфидные связи разрываются, высвобождая груз.

Учёные продемонстрировали работу наноинъектора на культивируемых клетках HeLa (человеческие раковые клетки эпителия шейки матки). Через 15–30 минут после позиционирования наноиглы внутри целевой клетки с помощью флуоресцентного микроскопа были видны кластеры квантовых точек размером 50–100 нанометров.

С помощью отслеживания единичных частиц учёные также могли напрямую характеризовать движение квантовых точек внутри клетки, что согласовывалось с предыдущими измерениями. Длительная и повторяемая инъекция в живые клетки делает этот биосовместимый наноинъектор перспективным инструментом для будущих исследований и доставки веществ в отдельные клетки.

«Доставка генов — определённо одно из потенциальных применений, — сказал Чен. — Кроме того, эта новая техника открывает дверь для изучения множества внутриклеточных процессов».