Первые прямые изображения проникновения углеродных нанотрубок в клетки

Впервые ученые напрямую сфотографировали проникновение и миграцию углеродных нанотрубок внутри человеческих клеток. В результате было установлено, что вызывают ли нанотрубки гибель клетки, зависит от дозы и времени воздействия. Работа, опубликованная 28 октября в онлайн-издании Nature Nanotechnology, может привести к лучшим способам определения токсичности углеродных нанотрубок для человека.

Это исследование первым однозначно показало, что углеродные нанотрубки способны проникать в цитоплазму и ядро клетки.

Многие исследования изучали токсичность углеродных нанотрубок, некоторые из которых заключали, что нанотрубки остро токсичны, а некоторые — нет. Но поглощение нанотрубок клетками никогда ранее не наблюдалось напрямую, что ставило под сомнение точность этих исследований.

«Противоположные данные о токсическом воздействии однослойных углеродных нанотрубок подчеркивают необходимость альтернативных способов изучения их поглощения и цитотоксических эффектов в клетках», — заявила ведущий ученый Александра Портер из Кембриджского университета (Великобритания). — «Но прямое наблюдение за клеточным поглощением однослойных углеродных нанотрубок было затруднено сложностями в различении углеродных нанотрубок от богатых углеродом клеточных структур».

Портер и ее коллеги из Кембриджского университета и Лаборатории Дарсбери (также в Великобритании) использовали два типа микроскопии для визуализации однослойных углеродных нанотрубок, проникающих в макрофаги — клетки иммунной системы человека. Они «наблюдали», как нанотрубки проникают в цитоплазму, определенные органеллы и ядра.

Группа выбрала макрофаги, потому что они являются первой линией защиты от инородных материалов во многих тканях тела, включая легочную ткань. Наночастицы, которые вдыхаются, например, углеродные нанотрубки в порошкообразной форме, должны поглощаться макрофагами, что может остановить дальнейшее проникновение нанотрубок в системы организма, такие как кровь и лимфатическая система.

Клетки анализировались как окрашенные, так и неокрашенные, и результаты сравнивались с двумя распространенными тестами на жизнеспособность, или «анализами». Эти анализы оценивают здоровье клеток с использованием разных маркеров и, следовательно, могут давать разные результаты. С другой стороны, методы визуализации, которые использовали ученые, определяют гибель клеток, позволяя идентифицировать четко определенные структурные изменения, и поэтому могут стать важным дополнением к анализам токсичности углеродных нанотрубок.

Анализируемые клетки обрабатывались растворами нанотрубок в течение двух и четырех дней при концентрациях от нуля (без нанотрубок) до 10 микрограмм (миллионных долей грамма) на миллилитр.

Изображения показали, что даже клетки, подвергшиеся воздействию самых высоких концентраций нанотрубок, оставались относительно здоровыми после двух дней; не было существенных различий между контрольными клетками, которые не обрабатывались, и клетками, обработанными нанотрубками. Но через четыре дня даже более низкие концентрации привели к значительному снижению жизнеспособности клеток.

Через два дня нанотрубки проникли в лизосомы клеток — органеллы в цитоплазме, вызывающие расщепление метаболических веществ и инородных частиц внутри клетки. Через четыре дня нанотрубки слились вместе; некоторые проникли в цитоплазму и пересекли границу ядра.

«Поглощение в эти места подразумевает, что нанотрубки могут взаимодействовать с внутриклеточными белками, органеллами и ДНК, что значительно усилило бы их токсический потенциал», — сказала Портер.

Два метода визуализации, которые использовались, — это просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ, TEM) и конфокальная микроскопия. В ПЭМ пучок электронов проходит через тонкий образец, формируя изображение, которое воссоздается на флуоресцентном экране, фотопленке или детектируется камерой. Конфокальная микроскопия предполагает использование света для увеличения контраста изображения путем устранения всего света, не находящегося в фокальной плоскости изображения, что дает гораздо более четкое изображение.

Цитирование: Alexandra E. Porter, Mhairi Gass, Karin Muller, Jeremy N. Skepper, Paul A. Midgley and Mark Well Nature Nanotechnology advance online publication, 28 October 2007 (doi:10.1038/nnano2007.347)