Про соединение электроники и живых клеток в том или ином виде учёные рапортовали не раз. Но всё время их точил червь сомнения — а как переносит такое вмешательство сама клетка? Теперь исследователи научились делать контакты органичной частью живого. «Это первый пример нанопроводов, подсоединённых к биологическим клеткам без использования внешней силы», — утверждает главный автор этих необычных опытов.
Итак, учёные разработали технологию, которая позволяет вживить кремниевые нанопровода в живую клетку без видимого вреда для последней. Эта техника может использоваться, чтобы подключать клетки друг к другу и связывать их с различными электронными устройствами.
Необычные опыты провели Пэйдун Ян (Peidong Yang), сотрудник американской национальной лаборатории в Беркли (Berkeley Lab), профессор химического факультета университета Калифорнии в Беркли (University of California, Berkeley), Вон Ким (Woong Kim) и Мики Кунитейк (Miki Kunitake) из научной группы Яна (Peidong Yang Group) в сотрудничестве с исследователями из института кардиоваскулярных заболеваний Гладстона (Gladstone Institute of Cardiovascular Disease) — Дженнифер Нг (Jennifer Ng) и Брюсом Конклином (Bruce Conklin).
Ян, к слову, знаком читателям «Мембраны» по светящимся нанонитям и нановолноводам.
На этот раз экспериментатор решил заняться проблемой аккуратного подключения клеток к электронике, или наоборот. Если учёные желают получать какие-то параметры работы клетки или заставить её что-то делать, неплохо было бы устранить негативные последствия вмешательства. Но как воткнуть электрод в клетку, не повредив мембрану?
Можно, конечно, придумать что-то вроде наноиглы, которая минимизирует ущерб просто благодаря малому своему диаметру, но Ян нашёл выход пооригинальнее. Не нужно никуда ничего вводить — для достижения искомой цели требуется лишь вырастить сами клетки вокруг россыпи электродов.
Это Ян и выполнил — создал подложки с густо (словно лес) стоящими нанопроводками и принялся культивировать на этих подложках клетки. В данном случае — эмбриональные стволовые клетки мышей. Они вырастали таким образом, что заключали в себя сразу по несколько нанопроводов, порой «протыкавших» их насквозь.
Поскольку процесс такого соединения шёл естественным образом, клетки, казалось, не обращали «особого внимания» на чужеродные тела.
Кстати, кремниевые нанопровода были синтезированы химическим осаждением пара — над этой технологией Ян и его группа работали много лет. В этом методе золотые частицы нанометрового размера служат катализатором, вызывающим формирование миллионов нанопроводов на подложке. Размер частиц золота влияет на диаметр получающихся проводов.
Когда эти проводки оказываются на воздухе, на их поверхности возникает тонкий слой кварца (диоксид кремния). А это важно для дальнейшей работы нанопроводов с клеткой: «Кварц обладает хорошей совместимостью с мембраной клетки и внутренней средой клетки, — говорит Ян. — Кроме того, кремний — проводник, который позволяет нам подавать в клетку электрический ток».
Также, отмечают исследователи, такие проводки могут иметь длину в тысячу раз больше своего диаметра, оставаясь при этом достаточно твёрдыми и прочными для механических манипуляций с ними.
Но зачем вообще нужно такое выращивание? Дело в том, что новая техника может стать прообразом технологии культивирования из стволовых клеток нужных тканей организма — для биологических исследований и в медицинских целях. Причём, как оказалось, нанопровода позволяют учёным управлять процессом дифференциации стволовых клеток.
Помимо экспрессии определённых генов, на такую дифференциацию могут влиять «сигналы» окружающей среды: физические, химические или электрические. Последними и заинтересовались исследователи.
«Управляя электрическим током через снабжённую электродами стволовую клетку, изменяя его мощность, мы можем управлять дифференциацией клетки», — говорит Ян. Тут-то как раз очень важно вживить проводки в клетку, не повредив её. А клетки, которые выращивали Ян и его коллеги, прекрасно жили на поверхности подложки-ежа более месяца.
При этом клетки, использованные в опыте, находились в процессе превращения в клетки сердечной мышцы, что впоследствии и происходило. Развиваясь, клетки начинали биться как сердце.
Для того чтобы лучше рассмотреть, как клетки интегрируют в себя нанопроводки, авторы экспериментов генетически запрограммировали культивированные клетки на синтез зелёного флуоресцентного белка (GFP). Так что на снимках под микроскопом многочисленные чёрные точки нанопроводков были отчётливо видны на фоне «пылающих» зелёным клеток.
После клеток мыши Ян перешёл к клеткам человека. Выращенные на таком же «еже» эмбриональные почечные клетки получили по два-три кремниевых нанопровода, причём в серии опытов были использованы нанопровода разной длины и диаметра. Длина их колебалась от 3 до 6 микрометров, а диаметр имел три значения — 30, 90 и 400 нанометров. Хотя все полученные данные ещё не систематизированы, уже ясно, что срок жизни клетки с проводами внутри зависит от плотности размещения и геометрических размеров проводов.
Однако в любом случае жизнь с таким странным наполнением открывает перед учёными интересные возможности по экспериментированию с клеткой. Так Ян со товарищи научились поставлять при помощи этих нанопроводов определённый генетический материал к определённым органоидам в пределах клетки.
Так, в одном из опытов они покрыли поверхность нанопроводов плазмидами (короткими линейными или закольцованными молекулами ДНК, служащими дополнительными генетическими «инструкциями», расположенными вне ядра клетки). Эти плазмиды кодировали синтез всё того же белка GFP.
Далее учёные начали разводить человеческие эмбриональные почечные клетки на своей игольчатой подложке. Через день некоторые из клеток начинали светиться зелёным, показывая, что генетический материал попал по назначению. Ян утверждает, что эта техника в принципе позволяет вводить ДНК в определённые участки клетки с точностью до 50 нанометров.
Мало того, при помощи набора всё тех же нанопроводов, вокруг которых вырастает клетка, учёные могут получать информацию о её функционировании или брать пробы из определённых участков клетки, в общем — не только управлять развитием, но и смотреть — что в результате получается. Обо всём этом Ян с коллегами написали (PDF-документ) в журнале Американского химического общества (American Chemical Society).
Новый инструмент для биологических и медицинских исследований в будущем, кто знает, может стать и инструментом для технологии клеточной терапии.
