Почему углеродные нанотрубки опасны для клеток
Учёные давно знают, что асбест вредит человеческим клеткам. Под микроскопом видно, как длинные заострённые волокна асбеста пронзают клетку, оставляя снаружи торчащий конец, подобно дрожащей стреле, попавшей в цель.
Однако оставалось неясным, почему клетки взаимодействуют с асбестовыми волокнами и другими наноматериалами, которые слишком длинны для полного поглощения. Исследователи из Университета Брауна выяснили механизм этого процесса. С помощью молекулярного моделирования и экспериментов команда показала в журнале Nature Nanotechnology, что некоторые наноматериалы, например углеродные нанотрубки, проникают в клетки кончиком вперёд и почти всегда под углом 90 градусов.
Такая ориентация вводит клетку в заблуждение: захватывая закруглённый конец, клетка воспринимает частицу как сферу, а не длинный цилиндр. Когда клетка понимает, что объект слишком длинный, чтобы его полностью поглотить, уже поздно.
«Это как если бы мы попытались съесть леденец больше нас самих. Он застрял бы», — пояснил Хуацзянь Гао, профессор инженерии в Университете Брауна и автор-корреспондент статьи.
Исследование важно, поскольку наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки, перспективны для медицины — например, в качестве средств доставки лекарств к конкретным клеткам. Понимание их взаимодействия с клетками позволит создавать нетоксичные конструкции.
Как происходит проникновение
Коммерческие углеродные нанотрубки и золотые нанопроволоки имеют закруглённые кончики диаметром от 10 до 100 нанометров. Этот размер соответствует возможностям клетки. При контакте с нанотрубкой рецепторы на мембране клетки активируются, группируются и изгибают мембрану, обволакивая кончик нанотрубки. Этот процесс авторы назвали «распознаванием кончика». При этом нанотрубка наклоняется к углу 90°, что снижает энергию, необходимую клетке для поглощения.
Как только начинается эндоцитоз (поглощение), обратного пути нет. В течение минут клетка понимает, что не может полностью поглотить наноструктуру, и подаёт сигнал тревоги, запуская иммунный ответ и повторяющееся воспаление.
Эксперименты и моделирование
Гипотеза была проверена с помощью молекулярно-динамического моделирования крупного зерна и экспериментов с многокомпонентными углеродными нанотрубками с закрытыми концами. В опытах с нанотрубками, золотыми нанопроволоками, клетками печени мыши и человеческими мезотелиальными клетками наноматериалы проникали кончиком вперёд под углом ~90° примерно в 90% случаев.
«Мы ожидали, что трубка ляжет на мембрану, чтобы получить больше точек связывания. Однако моделирование показало, что трубка стабильно поворачивается для входа под большим углом, а её кончик полностью обволакивается. Это контр-интуитивно и связано с высвобождением энергии изгиба мембраны», — отметил Синхуа Ши, первый автор статьи.
В дальнейшем команда планирует изучить, представляют ли аналогичную опасность нанотрубки без закруглённых кончиков или более гибкие материалы, такие как наноленты.
«Интересно, что если срезать закруглённый кончик углеродной нанотрубки (оставив её открытой и полой), трубка ложится на клеточную мембрану, а не входит в клетку под большим углом», — добавил Ши.