В потрясающих новых видеоросиках в замедленном режиме видно, как биологические наночастицы снуют по звездному полю светящихся точек. Под воздействием невидимой химии притяжения эти микроскопические путешественники в итоге группируются вместе, образуя идеально круглые светящиеся круги на чёрной поверхности.
Эти завораживающие новые видеоролики стали возможны благодаря LEVA (light-induced extracellular vesicle and particle adsorption) — инновационной новой технологии от Северо-Западного университета и Университета штата Огайо.
LEVA — это первый инструмент, который позволяет учёным точно размещать крошечные биологические пакеты, называемые поверхностно-связанными внеклеточными пузырьками и частицами (EVP). Клетки выделяют эти крошечные пакеты в биологические жидкости и оставляют их в тканях, где они помогают передавать сообщения другим клеткам.
Сигнализируя клеткам о перемещении или восстановлении повреждений, EVP, по-видимому, влияют на многие важные процессы в организме человека, включая заживление ран, инфекции, регенерацию и распространение рака.
Используя LEVA, учёные могут наблюдать за взаимодействием этих крошечных биологических курьеров с клетками в режиме реального времени. Затем исследователи могут изучить, как сообщения EVP ускоряют заживление, помогают защищать организм или способствуют распространению болезней.
Исследование под названием «Light-induced extracellular vesicle and particle adsorption» опубликовано в журнале Nature Methods. В работе представлен первый быстрый, масштабируемый инструмент высокого разрешения для контроля EVP без использования антител, химических меток или молекул-ловушек.
«Наше исследование предоставляет учёным мощный новый инструмент для понимания того, как клетки общаются через «хлебные крошки», которые они оставляют после себя во время движения как в здоровых, так и в болезненных состояниях», — сказал Колин Хаси из Северо-Западного университета, который руководил работой.
«Лучшее понимание их роли может привести к новым методам лечения заболеваний и улучшению терапии заживления ран. Универсальность методики означает, что её могут использовать исследователи по всему миру для ускорения открытий в различных областях здоровья человека», — добавил он.
Хаси — доцент кафедры биомедицинской инженерии в Северо-Западной школе инженерии Маккормика. Он руководил работой вместе с Ксилал Й. Рима и Джейкобом Дун-Рэллом, постдокторантом и аспирантом соответственно в Университете штата Огайо. Старшим автором исследования является Эдуардо Реатегуи, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Университете штата Огайо.
Как работают EVP
Когда клетки перемещаются по телу, они естественным образом выделяют крошечные мембранные EVP, которые переносят белки, РНК и другие молекулярные грузы. После высвобождения EVP действуют как посланники между клетками, формируя различные биологические процессы, включая иммунные реакции и рост тканей.
Традиционно учёные изучали EVP, взвешенные в жидкости. Но Хаси и его команда хотели изучить, что происходит, когда EVP фиксируются на месте, действуя как дорожная карта для движущихся клеток.
LEVA работает путём направления ультрафиолетового света на крошечный массив зеркал, а затем на поверхность, чтобы создать узор, похожий на трафарет. Области, подвергшиеся воздействию света, претерпевают химическое изменение, становясь липкими для EVP. Неэкспонированные области остаются нейтральными.
Когда вводятся EVP, они естественным образом прикрепляются к открытым участкам, образуя точные узоры, такие как точки, линии, градиенты, тропы или даже сложные изображения. Это позволяет учёным размещать EVP в контролируемых формах и тропах, которые имитируют их расположение в тканях человека.
«EVP, по-видимому, играют решающую, но плохо изученную роль в миграции рака и метастазировании, заживлении ран и иммунных реакциях», — сказал Хаси.
«Ранее у учёных не было инструментов для их количественного и систематического изучения. LEVA использует контролируемый ультрафиолетовый свет для привлечения этих пузырьков с субклеточной точностью на основе их врождённых свойств. Раньше это было невозможно, и благодаря нашей междисциплинарной команде эта технология появилась в то время, когда эта область привлекает большое внимание и набирает обороты», — добавил он.
После разработки узоров из EVP Хаси и его сотрудники захотели изучить, как они взаимодействуют с клетками в режиме реального времени. Они использовали LEVA для создания точных форм EVP из бактерий, имитируя инфекцию. Затем команда добавила изолированные человеческие нейтрофилы — тип белых кровяных телец, которые действуют как первые реагирующие клетки иммунной системы.
Нейтрофилы быстро обнаруживали и собирались вокруг узорчатых бактериальных EVP. Плотно сгруппировавшись над EVP, нейтрофилы имитировали то, как они могли бы собраться у места реальной раны или инфекции в организме. На сопутствующих видеоросиках в замедленном режиме можно наблюдать, как армия белых кровяных телец извивается и подпрыгивает по плоской поверхности, покрывая узоры из бактериальных EVP различной формы, включая точки и даже звёзды.
Эксперимент показывает, что EVP сами по себе — без живых бактерий — действуют как сильные химические маяки для иммунных клеток. С помощью LEVA учёные могут изучать это поведение с высокой точностью, что может помочь исследователям лучше понять передачу сигналов иммунной системой и воспаление.
«Нейтрофилы эволюционировали, чтобы распознавать антигены, присутствующие на бактериальных клетках, и, следовательно, также бактериальные EVP, потому что они очень похожи», — сказал Хаси.
«Как только нейтрофилы вступают в контакт с EVP и первоначально ощущают их, они претерпевают динамические реакции, которые мы всё ещё пытаемся понять. Наша платформа может помочь нам в изучении этого», — добавил он.
Далее Хаси и его команда планируют расширить возможности LEVA за пределы плоских прозрачных поверхностей до более сложных, трёхмерных и биологически значимых материалов, чтобы лучше имитировать условия внутри человеческого тела. Путем настройки узоров и градиентов команда надеется расшифровать правила поведения клеток, управляемого EVP, от направления регенерации тканей до перехвата распространения рака.
«Мы хотим применить LEVA в различных областях заболеваний, чтобы систематически сопоставить, как различные типы поверхностно-связанных пузырьков влияют на поведение клеток в различных условиях и конфигурациях, с первоначальным акцентом на метастазирование рака, заживление ран и иммунные реакции на патогенные EVP», — сказал Хаси.
«Наши долгосрочные цели включают разработку терапевтических стратегий, которые используют или блокируют эти межклеточные коммуникации, опосредованные пузырьками, и расширение методики для изучения того, как наночастицы взаимодействуют с поверхностями в чисто инженерно-техническом контексте».