Микросферы делают стимуляцию клеток ультразвуком более безопасной

Исследователи из Университета Дьюка обнаружили способ повысить эффективность и безопасность соногенетики (ультразвуковой модуляции) — методов, использующих звуковые волны для контроля поведения отдельных нейронов или стимуляции роста тканей и заживления ран.

Ультразвуковая терапия часто использует направленные волны для создания кавитационных пузырьков — крошечных "шариков" быстро осциллирующих воздушных карманов, которые при схлопывании растягивают близлежащие клеточные мембраны. Это растяжение может активировать кальциевые ионные каналы, заставляя нейрон генерировать сигнал, или запускать репаративные механизмы организма.

Однако если пузырёк слишком большой или находится слишком близко, метод может повредить или разрушить клетки. Хотя это может быть желаемым результатом, например, в терапии рака, исследователи в соногенетике обычно стремятся избежать повреждений.

В новом исследовании биоинженеры обнаружили, что прикрепление микроскопических сфер (микросфер) к рецепторам на поверхности клетки позволяет добиться эффекта растяжения клетки и высвобождения кальция гораздо безопаснее.

Результаты были опубликованы онлайн 25 декабря 2017 года в Proceedings of the National Academy of Science.

"Чтобы ионные каналы и поры в мембране клетки открылись, её обычно нужно растянуть очень сильно и очень быстро", — сказал Пей Чжун, профессор механической инженерии и материаловедения. — "Но мы обнаружили, что прикрепление микросфер к поверхности клетки усиливает её реакцию во время кавитации и даёт тот же результат с гораздо меньшим риском повреждения".

Кавитационные пузырьки, возникающие при создании силы, образующей пустоту в жидкости, могут быть достаточно мощными, чтобы повреждать гребные винты кораблей. Пузырьки, создаваемые в медицинских процедурах, не настолько сильны, но всё же могут причинить вред. Из-за их скорости и случайности изучать их влияние на клетки очень сложно.

Это первое исследование, использующее экспериментальную платформу, построенную командой Чжуна в 2015 году для изучения сонопорации. Она надёжно создаёт тандемные кавитационные пузырьки в одном и том же месте каждый раз. Размещая разные типы клеток на различных расстояниях от пузырьков, исследователи могут изучать детали клеточного ответа.

Для первого последующего исследования на этой платформе Чжун выбрал изучение кальциевой сигнализации.

"Кальциевая сигнализация регулирует многие важные клеточные функции, такие как сокращение мышц, нейронная коммуникация, транскрипция генов и рост тканей", — сказала Фэньфан Ли, научный сотрудник лаборатории Чжуна и ведущий автор исследования. — "Предыдущие работы показали, что соногенетика и сонопорация вызывают кальциевый ответ, который может заставить нейроны срабатывать или способствовать заживлению в других клетках, поэтому мы хотели изучить это подробнее".

Результаты показали, что кавитационные пузырьки фактически вызывают два типа кальциевого ответа: медленные и быстрые волны. Но самое интересное — исследование показало, что микросферы, прикреплённые к поверхности клетки, могут "поймать" часть энергии пузырьков и потянуть за поверхность мембраны. Это создаёт более локализованную деформацию и более сильный кальциевый ответ от более медленной и мягкой волны.

"Эта стратегия позволяет стимулировать клетки на безопасном расстоянии от кавитационных пузырьков", — сказал Чжун. — "Такой подход должен значительно облегчить исследователям безопасное использование соногенетики в терапии у людей".