Разработано устройство для высокоскоростной доставки крупных частиц в живые клетки

Через микротрещину частицы попадают внутрь клетки, после чего мембрана затягивается естественным образом
(иллюстрация Eric Pei-Yu Chiou).

Современные методики в биомедицине и биоинженерии подразумевают работу с отдельными клетками и, в частности, с доставкой различных веществ внутрь этих клеток. Так, к примеру, наночастицы могут прицельно доставлять лекарства от рака, а частицы минерала гематита — переправлять лекарственный груз для выращивания мышечной ткани на повреждённых участках.

На сегодняшний день большинство технологий по доставке частиц внутрь живых клеток представляют собой нечто вроде микроскопических инъекций. Эта методика пригодна, если работать приходится с частицами, диаметр которых не превышает один микрометр. Если же эксперимент подразумевает манипуляции с частицами около одного нанометра в диаметре — в тысячу раз меньше микрометра — то для доставки, как правило, применяются химические методы. И так или иначе, внедрение крупногабаритных бактерий, ферментов и антител обычно занимает довольно много времени.

Теперь же исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали инновационное устройство, которое позволяет обработать до 100 тысяч клеток в минуту, тогда как стандартные методики доставки подразумевают отправку частиц в одну клетку в минуту.

Результаты исследования, которое возглавлял доктор Эрик Пей-Ю Цю (Eric Pei-Yu Chiou), были опубликованы в журнале Nature Methods.

Новое устройство получило название Биофотонный лазерный хирургический инструмент, или кратко BLAST. Оно представляет собой кремниевый чип с отверстиями микронного диаметра, каждое из которых покрыто асимметричной полукруглой титановой плёнкой. Кремниевый чип закрывает собой небольшой сосуд, содержащий жидкость с растворёнными в ней частицами, которые нужно доставить к клеткам.

Принцип работы устройства исследователи описывают в пресс-релизе университета. Для нагрева титанового покрытия используется лазерный импульс. В результате слой воды, примыкающий к клеткам, закипает, и образуется пузырёк пара, который взрывается прямо у клеточной мембраны.

Это взрыв провоцирует образование "трещин" на поверхности клетки — весь этот процесс занимает лишь около одной миллионной доли секунды. Через образовавшуюся расщелину в мембране жидкость с частицами проникает внутрь клетки, после чего "оболочка" клетки естественным образом восстанавливается. Как отмечают исследователи, один лазерный пучок может просканировать весь кремниевый чип всего за десять секунд.

"Главный успех нашей технологии заключается в способности устройства мгновенно сделать крошечный и очень точный надрез на клеточной мембране. Чем быстрее делается надрез, тем меньше искажения будет в самой клетке", — поясняет доктор Цю.

По словам авторов исследования, данная технология открывает двери в мир невиданных ранее биомедицинских исследований. К примеру, доставив при помощи устройства BLAST митохондрии в живые клетки, можно изменить клеточный метаболизм и изучить заболевания, вызванные мутантной митохондриальной ДНК. Также методика позволит проанализировать функции генов, участвующих в жизненном цикле патогенных микроорганизмов, или понять механизмы защиты клеток от паразитирующих организмов.

А поскольку одно устройство может за одну минуту доставить груз из микрочастиц сразу к 100 тысячам клеток, то одна микросхема может обеспечить достаточно данных для статистического анализа. И это существенно ускорит проведение исследований.