Фаги подвесили железные клетки в магнитном поле

Метод управления клетками живого организма, подвешенными в жидкости при помощи магнитного поля, разработали биологи из университета Райса (Rice University) и онкологического центра Андерсона при университете Техаса (M. D. Anderson Cancer Center).

Как ни крути (в прямом и переносном смысле слова), а печень, сердце и даже отдельные ткани в чашке Петри не вырастишь. Потому что плоская она, а в таких условиях биологический материал ведёт себя неадекватно, не соответствуют наблюдаемые явления тем, что происходят внутри тела.

	Фотография гидрогеля, полученная при помощи темнопольной микроскопии (Dark field microscopy). Масштабная линейка – два микрометра (фото Nature Nanomaterials).

Вот и стараются учёные создать трёхмерную матрицу для тканей и органов, изобретая разнообразные объёмные чашки Петри . Нынешняя работа продолжила это направление.

Глауко Соудза (Glauco Souza) и его коллеги попробовали расположить клетки в трёхмерном пространстве без каких-либо подручных приспособлений и микроскопических лесов. Они подняли клетки со дна сосуда при помощи магнитного поля (но не так, как в случае с мышами).

Для этого учёные изготовили гидрогель на основе полимера, который содержал наночастицы золота диаметром 50±8 нанометров и специально созданные вирусы — фаги. Считается, что они поражают бактерии, но безопасны для клеток млекопитающих.

Невооружённым глазом видно, что при осаждении гидрогель очень хорошо захватывает частицы оксида железа (фото Nature Nanomaterials).

Эти "наночелноки", которые американские биологи именуют Au-phage-MIO, способны доставлять в клетки и органы специфические грузы. В данном случае такой полезной нагрузкой стали наночастицы магнетита (Fe₃O₄, диаметром 10-100 нм).

После того как в гель были добавлены живые клетки, фаги заставили магнитные частицы внедриться внутрь них. На это ушло несколько часов. Затем гель удалили, культуру тщательно промыли, и далее начались эксперименты с использованием магнитного поля.

Выяснилось: чтобы клетки начали левитировать и образовывать трёхмерную суспензию в питательной жидкости, достаточно приложить слабое поле. В пресс-релизе университета Райса упоминается, что использованный магнит был сопоставим по размерам с монетой.

Схема процесса обработки клеток (иллюстрация Nature Nanomaterials).

В таком подвешенном положении клетки могут жить и размножаться, распространяясь во все стороны, – это для них более естественно, чем обитание на плоском дне чашки. Значит, в лабораторных условиях они и функционировать будут так же, как в живой природе.

Для проверки этого предположения медики провели следующий эксперимент: они взяли глиобластомы (раковые клетки опухоли, образовавшиеся в мозге человека) и провели с ними все вышеописанные манипуляции.

Глиобластомы "проросли" в трёхмерной среде (через 72 часа образовались сферы диаметром один миллиметр) и начали производить те же белки, что и в организме мыши. При этом в предыдущих опытах в плоских чашках ничего подобного с раковыми клетками не происходило (подробности – в статье авторов разработки в журнале Nature Nanotechnology).

Передвигая магнит и изменяя напряжённость магнитного поля, биологи научились варьировать форму "мячиков" из клеток. Это может пригодиться в будущем при создании тканей разных типов. Скажем, кожа и нервные волокна растут по-разному, значит, и "вытягивать" их надо непохожими способами.

Микрофотографии левитирующих глиобластом, полученные при помощи просвечивающей электронной микроскопии. Слева направо: после 24 часов культивирования, наночастицы магнетита внутри клеток выделены чёрным цветом; через 7 дней, в центре сфер из клеток наночастицы переместились во внеклеточный матрикс; также 7 дней спустя, в оболочке сфер почти не осталось наночастиц. Масштабная линейка – 5 микрометров (фото Nature Nanomaterials).

"Прелесть этого метода в том, что он даёт клеткам возможность взаимодействовать между собой, строить трёхмерную структуру из микротканей. Простота технологии позволяет использовать её любой лаборатории, которая только-только начинает заниматься выращиванием пространственных культур клеток, любой научной группе, заинтересованной в изучении стволовых клеток. Метод можно применять в регенеративной медицине и биотехнологиях, а также испытании лекарств", — говорит один из исследователей Роберт Рафаэль (Robert Raphael).

Американские учёные мечтают, что рано или поздно при содействии их технологии будут выращиваться ткани для трансплантации и даже целые человеческие органы. Но пока основным применением новинки, скорее всего, действительно станет тестирование лекарственных препаратов и методов лечения злокачественных опухолей.

"Культуры, растущие в трёхмерном пространстве, больше похожи на настоящие ткани тела, соответственно, они предоставляют более достоверные результаты доклинических испытаний лекарств, — рассказывает ещё один автор работы Том Киллиан (Tom Killian). — Между тем, если вам удастся улучшить точность ранней процедуры проверки лекарств хотя бы на 10%, вы сэкономите сотни миллионов долларов на каждом препарате".

Ещё один плюс нового метода – скорость. "Магнитные силы заставляют частицы слипаться очень быстро", — отмечает Джордж Уайтсайдс (George Whitesides) из Гарварда, не участвовавший в данной работе.

"Если вы тестируете, к примеру, 100 тысяч доз лекарств на токсичность на 100 тысячах образцов ткани, экономия времени может быть весьма значительной", — вторит ему Киллиан.

Сверху: фотографии подвешенных глиобластом, полученные при помощи сканирующей электронной микроскопии: спустя 24 часа после начала эксперимента и на восьмой день. Масштабная линейка – 100 микрометров. Внизу: флуоресценция клеток на второй день и через 12 недель, последняя демонстрирует жизнеспособность клеток. Линейка – 200 микрометров (фото Nature Nanomaterials).

Однако Уайтсайдс указывает и на один из недостатков метода, присущий, впрочем, и всем остальным: клетки, расположенные во внутренней части любых лабораторных трёхмерных структур, страдают от недостатка питательных веществ, кислорода и быстро отмирают. На это Том отвечает, что вместе с коллегами уже работает над созданием раствора, который, возможно, решит эту проблему.

Ещё одно применение новинки – изучение рака. Злокачественные опухоли, выращенные на "невидимой матрице", создаваемой магнитным полем, также больше похожи на те, что разрастаются в человеческом теле. Это само по себе большое достижение, добавляет ещё один исследователь Вадих Арап (Wadih Arap).

Сейчас команда Соудза проводит дополнительные тесты-сравнения существующих ныне методов выращивания трёхмерных матриц из клеток и новой магнитной технологии. Пока Глауко уверен, что эта разработка покажет точно такие же, если не лучшие результаты.

Кстати, дальнейшей коммерциализацией метода займётся начинающая компания Nano3D Biosciences, которой теперь принадлежит лицензия на создание магнитного геля. Достоверно известно, что в ней уже придумали простое и понятное название будущему устройству – Bio-Assembler ("Биосборщик"). Вероятно, именно его в скором времени начнут предлагать всем лабораториям, желающим опробовать новый необычный метод выращивания тканей.