Открытие на пересечении цитологии и оптики: клетки способны поглотить нанопроволоку при доставке генной информации. Российские ученые продемонстрировали способность клеток проникать и разрушать вертикально ориентированные нитевидные нанокристаллы (нанопроволоки) из GaP на подложке из кремния. Исследование опубликовано в журнале Nanoscale.
«Большинство работ посвящены либо биологическому аспекту взаимодействия клеток с нитевидными нанокристаллами, либо происходящим при этом физическим процессам. В нашей работе, помимо раскрытия биологических сторон взаимодействия клеток и нитевидных нанокристаллов, таких как выживаемость, возможность и эффективность трансфекции, впервые обнаружены и описаны такие физические явления, как изменения спектра фотолюминесценции нитевидных нанокристаллов при культивации на них клеток и способность клеток к механическому разрушению и поглощению вертикально стоящих нанокристаллов», — рассказал о работе Алексей Большаков, директор Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Нанопроволоки — одномерные наноструктуры, состоящие из полупроводниковых, диэлектрических и металлических материалов. Их синтез подробно изучен, а современные методы выращивания позволяют создавать нанопроволоки с заданной структурой и морфологией. В области нанофотоники эти метаматериалы широко применяются при создании сенсорных приложений. Диаметр нанопроволок варьируется от нескольких нанометров до сотен нанометров, что делает их привлекательными для биологических исследований. Например, они используются в таких приложениях, как регистрация внутриклеточных сигналов, визуализация и маркировка клеток, биохимическое сенсирование.
В своей работе ученые решали фундаментальную задачу трансфекции — процесса изменения генетического материала клетки за счет введения чужеродного генетического материала (ДНК или РНК). Этот метод используется для изучения функции генов, разработки и создания лекарств и терапии. Исследователи проверяли гипотезу о том, что нанопроволоки могут вносить генетический материал в клетки. Для этого они выращивали клетки на поверхности нитевидных нанокристаллов из фосфида галлия (GaP), расположенных на кремниевой подложке.
«Мы предполагали, что мембрана клеток будет прокалываться нашими “наноиглами” и через образовавшиеся отверстия плазмида — кольцевой молекулы ДНК — будет попадать в клетку», — поясняет Станислав Шмаков, старший научный сотрудник центра приоритетных направлений наук и технологий Алфёровского университета.
Исследование подтвердило это предположение, действительно, плазмида попадала в клетки при их культивации на поверхности нанопроводов, а сами клетки начинали синтезировать кодируемый плазмидой белок. Эффективность такой трансфекции достигает 52 %. Число клеткок, выращиваемых на нитевидных нанокристаллах GaP, постепенно увеличивалось в течение первых 5 дней. Затем скорость роста снижалась. Морфология таких клеток увеличивались из-за образования псевдоподий. Исследование показало, что клетка может генерировать силы до нескольких сотен наноНьютон (нН). Благодаря чему она способна разрушать прикрепившуюся к клетке нить нанокристалла, а потом поглощать оторванную часть. Оторванные нанонити с плазмидами доставлять в ядро клетки. Этот процесс поглощения внешнего тела называют эндоцитоз.
Рисунок 1. Взаимодействие клеток с вертикальными нанопроволоками. (a) Конфокальное флуоресцентное изображение клетки с нанопроволоками, эндоцитированными клеткой после 72 ч инкубации; на вставке показано увеличенное изображение одиночной поглощенной нанопроволоки, демонстрирующего люминесценцию вставок GaPAs; (b) флуоресцентное изображение отдельной клетки с эндоцитированными красными нанопроволоками (отмечены стрелками) после 120 ч инкубации; (c) изображение с электронного микроскопа в псевдоцвете одиночной клетки на вертикальных нанопроволоках; на вставке показано изображение крупным планом с несколькими нанопроволоками в псевдоподиях клетки; (d) изометрическое изображение с электронного микроскопа в псевдоцвете одиночной клетки; на вставке показано изображение крупным планом, демонстрирующее отрыв клеткой части нанопроволоку. Источник: Nanoscale
На этом взаимодействие клетки и нанопроволоки не заканчивалось. Ученые обнаружили, что эндоцитоз фрагментов нанопроволок приводил к их химическому изменению. Это проявлялось в смещении спектра люминесценции. Анализ спектров показал постепенный сдвиг на 25–30 нм в длинноволновую область спектра в течение первых пяти дней инкубации.
«В ходе планирования работы мы ожидали, что нам удастся добиться трансфекции клеток при тех или иных условиях, однако сдвиг фотолюминесценции и тот факт, что клетки могут разрушить нанопроволоки, для нас оказался неожиданным», — поделился Алексей Большаков.
Рисунок 2. Люминесценция клеток, выращенных на нанопроволоках. Псевдоцветные конфокальные флуоресцентные изображения клеток, культивированных на вертикальных нитевидных нанокристаллов, сигнал собран через фильтры 527/54 нм (зеленый цвет на изображениях), 629/62 нм (синие точки) и 690/50 нм (красные точки) после: (a) 1 дня инкубации, (b) 3 дней инкубации и (c) 5 дней инкубации; (e) типичные спектры вертикальных GaP/GaPAs нитевидных нанокристаллов изначально и с клетками, культивированными в течение 3 и 5 дней, синие и красные полосы соответствуют фильтрам 629/62 нм (синие точки) и 690/50 нм (красные точки) соответственно. 3D-конфокальные люминесцентные изображения клеток, культивированных на вертикальных нитевидных нанокристаллах GaP(As): (h) поперечное сечение на уровне ядра (синий) и (j) 3D-реконструкция. Источник: Nanoscale
Это исследования предоставляет ценную информацию о взаимодействии клеток и нитевидными нанокристаллами GaP(As). Обнаруженные механические и химические действия клеток открывают новые перспективы их использования в качестве платформы для биосенсоров и биоинтерфейсов.
«Мы планируем провести более глубокое исследование выживаемости и жизнеспособности клеток при культивации на нитевидных нанокристаллах в зависимости от состава и количества люминесцентных вставок. Также требуется дальнейшая оптимизация морфологии этих нанокристаллов для достижения более эффективной и повторяемой трансфекции. В дальнейшем планируются эксперименты по применению массива нанокристаллов в качестве биосенсоров», — поделилися планами Станислав Шмаков.
В работе участвовали ученые из МФТИ, СПбГУ, СПбПУ, Алфёровского университета, Института аналитического приборостроения РАН и Ереванского Государственного университета.
