Цивилизация
Сегодня очень много внимания в разных областях науки – в биологии, в химии, в клеточных технологиях — уделяется клеткам, которые имеют свойства, отличные от естественных. У любых клеток, как бактерий, так и растений, животных, человека, есть определенный набор свойств. Каждая из них способна вырабатывать свой тип белков, бактерии разлагают определенный круг веществ (например, они разлагают глюкозу, но не целлюлозу). Люди хотят изменить свойства этих клеток, сделав их более полезными для своей практической деятельности. Генная инженерия направлена на то, чтобы создавать клетки с новыми свойствами. Например,
соответствующим образом генно-модифицированная бактерия способна синтезировать человеческие белки или использовать в качестве питательных веществ нехарактерные для исходного вида вещества.
Однако генная инженерия – не единственный способ модифицировать клетки. Существенно изменить их свойства можно, не проникая внутрь клетки.
Такие методы получили название инженерии клеточной поверхности — cell surface engineering.
В процессе модификации происходит изменение свойств клеток с помощью присоединения разного рода наноматериалов к их поверхности. В зависимости от того, как и с помощью каких материалов происходит модификация, клеткам передаются различные транспортные, терапевтические и механические свойства.
Лекарство из эритроцитов
Одна из наиболее перспективных методик модификации поверхности клеток – прикрепление наночастиц к поверхности клеточных стенок или мембран. Недавно была опубликована работа, посвященная направленной доставке лекарств в человеческом организме с помощью модифицированных наночастицами эритроцитов.
На первом этапе эритроциты заполняли модельным раствором, играющим роль лекарственного средства. Затем «заполненные» эритроциты модифицировали наночастицами золота.
Теперь такие клетки могут потенциально нести внутри себя надежно упакованное лекарство. Предполагается, что после распределения таких модифицированных эритроцитов в сосудах в дело вступят золотые наночастицы, уже расположенные на поверхности эритроцитов. Клетки облучают лазером, наночастицы способствуют избирательному, локальному нагреву мембраны клетки, она разрушается, и лекарство поступает в кровь или непосредственно в больной орган. Важный момент –
в качестве клеток-носителей могут использоваться собственные донорские красные кровяные клетки больного, что исключает возможность многих побочных эффектов.
Использование собственных донорских эритроцитов пациента снимает все проблемы с биосовместимостью или угрозой отторжения, актуальные при введении внешних донорских клеток или синтетических нанолекарств, упакованных в полимеры.
Автоконсервация клеток
Многие медицинские и биологические исследования проводятся на клеточных культурах. Часто микробиологи имеют дело с массивными коллекциями культур – несколько десятков тысяч различных микроорганизмов. Их постоянно нужно культивировать и очищать. Все эти проблемы особенно серьезно встают в лабораторной практике при транспортировке клеточных культур. Без поддержания определенных условий они погибнут, необходимо постоянно обеспечивать их жизнедеятельность. Некоторые методы длительного хранения основаны на заморозке клеток, но от этого существенная часть из них может погибнуть.
Однако клетки можно консервировать совершенно особым образом – модифицируя их поверхность.
Клетки можно искусственно заключить в минеральные оболочки, где они могут успешно храниться длительное время. В природе подобные оболочки существуют, например, у радиолярий, но далеко не у всех клеток в естественной среде есть такая защита. Ученые пытаются создать искусственные минеральные оболочки для «нужных» клеток. Их помещают в специально созданный внешний «скелет» из оксида кремния или карбоната кальция. Он защищает клетку от внешних воздействий, ей не нужно питание в течение нескольких месяцев. Это идеальный контейнер для работы с клеточными культурами: клетки в такой оболочке не портятся, не размножаются, их не нужно кормить. В таком виде их можно как возить, так и хранить, а когда пришло время, оболочку можно удалить с использованием нетоксичных растворителей, и клетка начинает жить «по-старому» — питаться, двигаться и размножаться.
Такие клетки можно доставить не только из Америки в Сибирь, но и, возможно, с Земли на Марс.
В пути клетки не будут размножаться, не будут питаться и умирать. Есть и «обратное» использование клеток в минеральных оболочках, когда именно клетки после создания оболочки растворяют, используя их лишь как шаблон для создания каркаса с определенной геометрией. Многие микроорганизмы имеют весьма специфическое топологическое строение, они представляют собой микроскопические палочки, шарики, спирали.
Если нужно создать определенную микрострукруру и удается подобрать соответствующую по форме и размерам клетку, эта технология незаменима.
На клетки можно нанести минеральный материал для оболочек, а затем сжечь их при высокой температуре. В результате образуется каркас с высококачественными порами: равномерными, одинаковой формы, с очень узким распределением по размерам.
Магнитные клетки
Одно из самых перспективных направлений инженерии клеточной поверхности – создание магнитных клеток. Такие клетки можно использовать, например, в качестве сорбентов. Сами по себе клетки сорбируют массу различных веществ – красители, газы, тяжелые металлы, которые, например, необходимо удалять из воды после очистки. Однако недостаточно собрать все вредные вещества в клетки – их нужно удалить из воды.
Когда поверхность клетки модифицирована магнитными частицами, их отделяют от водной среды просто с помощью магнита.
Под действием магнитного поля клетки из всего объема воды концентрируются в необходимом участке около него. Магнитные клетки аналогичным образом можно иммобилизовать в «нужных» местах, что уже сейчас используется в электрохимических биосенсорах, а также в тканевой инженерии и в направленной доставке клеток. В чем принципиальная новизна достижений работы по магнитным клеткам последних лет? Раньше магнитные частицы стремились ввести прямо в клетку. Наночастицы вводили в липосомы, и затем клетки поглощали липосомы в процессе фагоцитоза.
Разумеется, это приводило к проникновению наночастиц в цитоплазму, что зачастую обуславливало гибель существенной части клеток.
Методы модификации поверхности клеток гораздо более щадящие. В частности, в наших работах было показано, что магнитные частицы, стабилизированные при помощи полимеров и нанесенные на поверхность мембраны клетки, не проникают в цитоплазму. Клетки могут успешно двигаться, жить и размножаться в модифицированном состоянии, а при необходимости сбрасывают магнитные частицы. В будущем такие клетки под магнитной шубой можно будет использовать в клеточной терапии. В настоящее же время работы в данном направлении находятся еще на старте длительного пути.
Клетки в наноклее
Поверхность клеток также можно модифицировать разнообразными полимерами. Клетки покрываются одним слоем или несколькими слоями высокомолекулярных соединений. Такие слои обычно либо противоположно заряжены и поддерживают свою структуру в результате электростатического взаимодействия, либо между ними происходит формирование водородных связей. Таким образом,
живая клетка оказывается как бы в «шубе» — ее «тело» аккуратно покрыто полупроницаемой оболочкой из биосовместимых полимеров.
«Шуба» может служить инструментом иммунной защиты, например, для предотвращения агглютинации (слипания) эритроцитов, также ее можно использовать для регуляции поступления питательных веществ в клетку. Наконец, «липкая шуба» может стать «клеем» — посредником для присоединения «одетых» клеток к различным поверхностям, например, для создания биологических сенсоров или для формирования искусственной биологической ткани, имитирующей естественную ткань.
Таким образом, модифицированные клетки сейчас находят широчайшее применение и в химии, и в биологии, и в медицине. Для медицины преимущество использования живых клеток перед синтетическими инструментами доставки лекарств заключается в том, что в перспективе наномодифицированные клетки могут быть использованы в клеточной терапии. В идеальном варианте это клетки донора, самого больного, что позволяет избавиться от иммунных реакций. У биологов клетки – самый ходовой терапевтический материал, «подопытные кролики». Химики работают над созданием коллоидных частиц, наночастиц для умных микрокапсул, для создания систем доставки.
Ряд работ в этой области уже близки к коммерциализации. Особенно это касается магнитных клеток.
Близок к выходу на рынок микрочип для оценки токсичности в малых лабораториях, когда необходимо провести анализ без существенных затрат.
Это устройство будет основано на магнитных клетках, которые помещены в микроскопический чип, удерживаются в нем при помощи магнита и находятся под наблюдением, например, под объективом флуоресцентного микроскопа. Микрочип заполняется исследуемой жидкостью, и если в ней содержится тот или иной токсин, происходит увеличение интенсивности флуоресценции в клетках, что позволяет определить концентрацию токсина. После завершения анализа магнит можно убрать, при этом клетки свободно «вымываются», клетки из чипа заменяют на новые. Такая система многоразового использования имеет, на мой взгляд, серьезные шансы на коммерциализацию в обозримом будущем.