Крысам вживляют магнитные наночастицы в надпочечники, а через неделю после операции помещают в переменное магнитное поле, измеряя уровень гормонов в крови
Dekel Rosenfeld et al. / Science Advances, 2020
С помощью магнитных наночастиц и переменного магнитного поля ученые активировали термочувствительные каналы в надпочечниках крыс. Это привело к возбуждению нервных клеток, выбросу в кровь кортикостерона и адреналина и увеличению сердечного ритма. Аналогичные системы позволят контролировать выделение различных гормонов. Статья опубликована в журнале Science Advances.
Гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая ось — основная нейроэндокринная система, которая регулирует стрессовые реакции организма. Расстройства этой системы приводят к тому, что баланс гормонов надпочечников нарушается, а это может быть связанос такими заболеваниями, как посттравматическое стрессовое расстройство и депрессия. В таких ситуациях необходим механизм локального контроля выброса гормонов надпочечниками.
Секрецию гормонов в надпочечниках регулирует нервная система при помощи электрических импульсов. Для воздействия на этот процесс у нас есть несколько инструментов — можно внедрять электроды непосредственно в орган (инвазивная и опасная процедура), а можно использовать электромагнитную, акустическую или оптическуюстимуляцию. Сигнал можно адресно передавать с помощью магнитных наночастиц, которые выделяют тепло при воздействии переменного магнитного поля. Такое поле проникает глубоко в ткани организма и не вредит ему. Посредником между магнитными частицами и нервными клетками может выступать термочувствительный канал TRPV1, который при повышении температуры пропускает катионы (в основном, ионы кальция) внутрь клетки и запускает электрический импульс.
Ученые из США и Швейцарии под руководством Полины Аникеевой из Массачусетского технологического института активировали термочувствительные каналы в надпочечниках крыс с помощью магнитных наночастиц. Для начала они окрасили TRPV1 рецепторы надпочечников с помощью антител. Этот канал удалось обнаружить в 35 процентах клеток мозгового и 20 процентах — коркового вещества надпочечников.
Экспрессия TRPV1 (красный) в клетках надпочечников. Синий - ядерный краситель
Dekel Rosenfeld et al. / Science Advances, 2020
Затем в культуру клеток надпочечников добавляли агонисты (капсаицин) или антагонисты (капсазепин) TRPV1 рецепторов. В первом случае ионы кальция хлынули клетку — свечение флуоресцентного красителя увеличилось на 60 процентов, в то время как капсазепин ослабил этот эффект. Так ученые убедились, что включение тепловых рецепторов приводит к активации клеток надпочечников.
На следующем этапе ученые включали TRPV1 при помощи магнитных наночастиц из магнетита (Fe3O4). Эти структуры выделяют тепло при воздействии высокочастотного переменного магнитного поля, а когда их покрывают защитным слоев из полимеров, частицы становятся биосовместимыми, и клетки не поглощают их. В качестве контроля использовали аналогичные частицы из вюстита, которые не намагничиваются и поэтому не нагреваются в магнитном поле.
Когда на клеточную культуру воздействовали переменным магнитным полем (напряженностью 15 килоампер на метр и частотой 515 килогерц), в 50 процентах клеток концентрация ионов кальция резко повысилась.
Под воздействием переменного магнитного поля наночастицы (MNP) нагреваются и выделяют тепло (правая картинка). В результате открываются TRPV1 каналы, кальций заходит в клетку и связывается с флуоресцентными метками (Fluo-4)
Dekel Rosenfeld et al. / Science Advances, 2020
Внутриклеточный кальций в культуре клеток надпочечников с магнитными наночастицами при включении переменного магнитного поля (справа) или без него (слева)
Dekel Rosenfeld et al. / Science Advances, 2020
Наконец, наночастицы ввели непосредственно в надпочечники крыс и через неделю после операции помещали животных в аппарат, который генерировал переменное магнитное поле. Эффективность процедуры определяли по нескольким параметрам: экспрессии гена c-fos, который является маркером возбуждения электрически активных клеток; концентрации гормонов надпочечников адреналина и кортикостерона в крови; частоте сердечных сокращений.
Крыса в установке
Dekel Rosenfeld et al. / Science Advances, 2020
Наночастицы оставались в надпочечниках в течение всех 6 месяцев наблюдения и не нарушали структуру органов. После воздействия магнитным полем в клетках надпочечников с наночастицами c-fos экспрессировался активнее, чем в контроле (p < 0,01). Сразу после процедуры в крови животных концентрация кортикостерона увеличивалась на 80 процентов, а адреналина — на 21 процент; пульс крыс также повысился.
Магнитные наночастицы используют и другим образом. Например, если покрыть ими вирусную частицу, а затем активировать с помощью магнитного поля, то такие конструкции могут проникать в клетки (неактивные частицы не способны к этому). Ученые помещали внутрь вируса ДНК системы CRISPR-Cas9, вкалывали крысам, а затем направленно действовали магнитным полем на печень или опухоль — таким образом получилось адресно доставить систему.
Алиса Бахарева