Исследование формирования везикул может проложить путь к жидким биопсиям и системам доставки лекарств

Инженеры Университета Карнеги-Меллон и биомедицинские исследователи из Университета Питтсбурга и Исследовательского института Мейджи-Вуменс установили теоретическую основу для понимания механики, лежащей в основе формирования везикул. Их выводы, опубликованные в раннем онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences, могут быть использованы для разработки жидких биопсий для ряда заболеваний и новых систем доставки лекарств.

Исследователи сотрудничают в рамках проекта, финансируемого Национальными институтами здоровья (NIH), который направлен на создание неинвазивного диагностического инструмента для аномалий беременности, что снизит потребность в амниоцентезе. Во время беременности везикулы высвобождаются из плаценты в кровоток матери. Помимо биологических маркеров, физические свойства этих везикул, такие как их размер, жесткость и вязкость, также могут содержать ключи к потенциальным осложнениям беременности, включая задержку роста плода и другие плацентарные нарушения.

Команда из института Мейджи под руководством Йоеля Садовски собирает экспериментальные данные о везикулах, характеризуя их биологические и биохимические свойства, а также содержимое. Инженеры из Карнеги-Меллон, включая Субру Суреша, К. Джимми Хсиа, Дэвида Куинна и Чанцзиня Хуанга, исследуют новые способы применения понимания фундаментальных биофизических свойств везикул для улучшения клинической практики и результатов.

«Разработка всеобъемлющей теории того, как формируются везикулы, с использованием фундаментальных принципов науки и инженерии, может предложить новые подходы к диагностике и терапии заболеваний человека», — сказал Суреш, президент Карнеги-Меллон и соавтор исследования. — «Это исследование дает количественное понимание условий, при которых образуются везикулы, что может не только помочь в проектировании синтетических систем доставки лекарств, но и дать представление о том, как физические характеристики везикул могут изменяться при заболеваниях».

В биологических системах везикулы переносят материал внутрь и наружу клетки. Они образуются, когда липидный бислой мембраны сворачивается, создавая контейнер вокруг транспортируемого материала. Свойства везикулы, включая ее размер и вязкость, могут меняться в ответ на заболевание.

Чтобы понять взаимосвязь между размером, структурой и свойствами везикулы, исследователи изучили базовую термодинамику и энергетику, управляющие их формированием. Экспериментальные результаты команды из института Мейджи показывают, что наиболее интересное и полезное биологическое содержимое везикул может находиться в экзосомах — самом маленьком из трех основных типов везикул диаметром примерно 100 нанометров. Команда Карнеги-Меллон обнаружила, что процесс сворачивания в этих мельчайших везикулах является высоко нелинейным. Затем исследователи использовали нелинейную механику и термодинамику, чтобы установить связи между структурой липидов, кривизной и результирующим размером и формой везикулы.

С помощью своих расчетов исследователи точно предсказали распределение везикул по размерам в образце, и их результаты совпали с экспериментальными данными других научных групп. Они также смогли предсказать чашеобразную конфигурацию везикул, которая наблюдалась экспериментально, но не могла быть предсказана на основе существующей стандартной линейной теории.

«Получение этого фундаментального уровня понимания позволяет нам увидеть, существует ли корреляция между биофизическими свойствами и структурами везикул», — сказал Хсиа, профессор биомедицинской и механической инженерии в Карнеги-Меллон. — «Отсюда мы можем начать выводить, что происходит в системе, и связывать изменения с патологическими состояниями».

Это углубленное понимание биофизических свойств везикул означает, что исследователи потенциально могут использовать новые технологии разделения клеток для выделения везикул из простого образца крови. Такие технологии, как акустическое устройство для сортировки клеток, разрабатываемое в сотрудничестве Карнеги-Меллон, Массачусетского технологического института и Университета Дьюка, считаются «жидкими биопсиями» и предлагают неинвазивную альтернативу традиционным методам биопсии.

«Наши открытия проливают новый свет на негормональную, везикул-опосредованную коммуникацию между тканями», — сказал Садовски, директор Исследовательского института Мейджи-Вуменс. — «Использование возможностей инженерных инструментов позволит исследователям разрабатывать новые неинвазивные диагностические инструменты, которые могут изменить наше определение здоровья и благополучия во время беременности и других периодов развития человека».

Кроме того, установление фундаментальных механизмов, лежащих в основе формирования везикул, предоставляет новые параметры, которые исследователи могут использовать для оптимизации размера искусственных везикул при создании новых систем доставки лекарств.