» » Радиоизлучение может играть в организме роль универсального «рубильника»

Радиоизлучение может играть в организме роль универсального «рубильника»


Радиоизлучение может играть в организме роль универсального «рубильника»

Рис. 1. Схема методики. Наночастицы (Nanoparticle) связаны с антителами к гистидиновой метке (Anti-his-antibody) и потому присоединяются к TRPV1-рецептору, помеченному гистидиновой меткой. Под действием радиоволн (radio waves) наночастицы нагреваются и выделяют тепло (Heat), что приводит к открыванию рецептора и входа в клетки ионов Ca2+. К кальциевым ионам через цепочку белков (Calcineurin, nFAT) «привязана» экспрессия инсулина (как это сделано, подробно описано в новости Синтезом белков можно управлять с помощью света, «Элементы», 05.07.2011). Изображение из обсуждаемой статьи в Science


Мир, который несколько десятилетий назад описывали в своих произведениях фантасты, постепенно воплощается в реальность. Одна из последних разработок — работа американских ученых, опубликованная в недавнем номере Science. Это просто невероятно: исследователи научились с помощью радиоволн понижать уровень глюкозы в крови у подопытных мышей.

Нанотехнологии развиваются в бешеном темпе, позволяяя достичь результатов, немыслимых буквально десятилетие назад (см. Предложен способ лечения рака с помощью графена и лазера, «Элементы», 07.09.2010, 3D-нанозонды творят чудеса, «Элементы», 23.08.2010). Однако с сожалением надо отметить, что большое количество нанотехнологических исследований посвящено рутинным, а не революционным разработкам. В сущности, делается то, что уже было сделано прежде, с небольшими улучшениями и вариациями — как правило, наночастицы используются в качестве биосенсоров для определения тех или иных веществ либо как приспособления для высвобождения лекарств (см. drug delivery).

Но ясно, что наночастицы способны на гораздо большее. Именно этого «большего» и смогла добиться команда американских ученых под руководством Джеффри Фридмана. Исследователям удалось создать методику получения необходимых реакций клетки с помощью радиоволн. Радиоволны нагревают металлические наночастицы, связанные с особыми рецепторами на клеточной мембране, а эти рецепторы активируются при нагревании и вызывают необходимые клеточные ответы. Получается, что радиоволны — это что-то вроде рубильника, который может вызвать почти любую желаемую реакцию клетки.

Основные предпосылки для работы были таковы. Предположим, нам нужно чего-то добиться от организма — возбуждения определенных нейронов или мышц, выделения железистыми клетками какого-то вещества, и так далее. Как это сделать?

Можно подобрать химические вещества, которые воздействуют на рецепторы в клетках-мишенях или другим способом вызывают нужные нам эффекты. Но тут перед нами встает множество проблем. Во-первых, подходящего вещества может просто не оказаться. Во-вторых, даже если оно есть, оно может иметь неприятные побочные действия, например влиять не только на те клетки, которые нам нужны, но и на другие тоже. В-третьих, если мы работаем с нервной системой, то велика вероятность, что выбранное нами вещество не сможет пройти через гемато-энцефалический барьер, и от него не будет никакого толку.

Что ж, тогда можно сделать дешево и сердито: ткнуть в клетку электродом, пустить по нему ток и тогда (если, конечно, клетка выживет и будет сносно себя чувствовать) добиться определенного эффекта. Метод этот ненадежен, травматичен и имеет огромное количество ограничений и побочных эффектов.

Наконец, существует еще один, гораздо более изящный и бережный, способ — оптогенетика. Создаем генетически модифицированное существо, у которого в необходимых клетках экспрессируются особые ионные каналы, реагирующие на свет, например чэннелродопсин. Вживляем созданному животному в нужное место осветительный прибор (как правило, лазер) и светим; «поймав» свет, ионные каналы возбуждаются и вызывают необходимую реакцию клетки.

Метод, конечно, хорош, но и у него недостатков множество. Во-первых, это дорого. Во-вторых, нужно заранее выводить специальную линию животных. В-третьих, вживление лазера может быть травматичным, а иногда (если мы решим освещать средний мозг или что-нибудь столь же труднодоступное) и смертельным для подопытного организма.

Необходимость вживления лазера — это, пожалуй, самая большая проблема. Всё дело в том, что свет не проникает сквозь живые ткани, и его нужно доставлять туда искусственно. Вот если бы можно было найти какой-нибудь другой «возбудитель», для которого живая ткань не была бы препятствием...

Например, радиоизлучение. Радиоволны низкой и средней частоты прекрасно проникают сквозь ткани, поскольку поглощение их этими тканями (и влияние на эти ткани) минимально. Другие же субстраты, например металлические наночастицы, наоборот, прекрасно поглощают радиоволны и поэтому от них нагреваются (степень нагрева зависит от размера наночастицы, ее состава и напряженности поля). Поэтому если мы засунем в организм наночастицы, а затем облучим его радиоволнами, то частицы нагреются, а сам организм — нет.

Ну и что? Какая польза нам от того, что где-то внутри животного плавает крохотный горячий кусочек металла?

Польза на самом деле огромная. Дело в том, что существуют специальные клеточные рецепторы, реагирующие на тепло, — капсаициновые рецепторы, или TRPV1. При температуре выше 43°C эти рецепторы открываются и пропускают сквозь себя ионные токи — в основном, кальциевые. А ионы кальция хороши тем, что к ним можно «привязать» практически любую клеточную реакцию (то есть мы можем заставить клетку делать нужные вещи после того, как в ней повысился уровень кальциевых ионов). Поэтому если нам удастся «посадить» рецептор на нужную клетку, затем каким-то образом связать его с наночастицей, а потом нагреть ее, то у нас получится универсальная система для манипулирования практически любыми клетками.

Как же всего этого добиться? Начнем по порядку.

Итак, первое, что нужно сделать, это «посадить» TRPV1-рецепторы на необходимые клетки (то есть заставить клетки экспрессировать ген этого рецептора). Для этого существуют досконально разработанные методики, известные под названием «нок-ин» (см. gene knock-in) и обратные нокауту (см. gene knockout), при котором ген из клеток, наоборот, выбивается.

Следующий шаг — связать рецепторы (находящиеся на клетках) с наночастицами (плавающими где-то снаружи). Для этого есть элегантный и простой ход. Достаточно приделать к рецептору какую-нибудь «финтифлюшку», которая бы, с одной стороны, обладала яркой индивидуальностью (то есть была достаточно уникальна, чтобы существовали какие-то вещества, связывающиеся только с ней и ни с чем больше), а с другой — не мешала рецептору выполнять свою функцию. Наночастицу же надо покрыть этими самыми связывающимися с «финтифлюшкой» веществами. Теперь, едва встретившись, рецептор и наночастица крепко прилипнут друг к другу, и нагревая наночастицу, мы сможем на этот рецептор влиять. В данном случае в качестве «финтифлюшки» использовалась полигистидиновая метка (см. polyhistidine-tag), а в качестве вещества, с ней связывающегося, — соответственно, антитела к этой метке. В результате мы не только добиваемся соединения рецептора и наночастицы, но и избавляемся от «врожденных» TRPV1-рецепторов, то есть тех, которые сами по себе экспрессируются организмом, а потому не помечены нашей меткой, находятся на ненужных нам клетках и которые нам совершенно не нужно активировать.

И вот перед нами стабильная система: наночастицы связаны с рецепторами, сидящими на нужных клетках (и только на них). Теперь достаточно облучить организм радиоволнами, чтобы нагреть наночастицы, вызвать таким образом активацию рецепторов, вход кальциевых ионов в клетку и необходимые клеточные ответы.

Осталось рассказать о конкретных деталях, использованных в данной работе.

В качестве наночастиц использовались наночастицы оксида железа Fe3O4 — FeNPs, которые нагреваются при относительно низкой частоте излучения в 465 кГц (нагревания тканей организма при этой частоте практически не происходит). Размер частиц составлял 20 нм, благодаря чему они могли относительно свободно передвигаться по внеклеточному пространству. В ответ на радиооблучение клетки должны были начать вырабатывать инсулин — белковый гормон, главным действием которого является понижение уровня глюкозы в крови.

Вначале исследователи решили проверить, будет ли работать их методика не на целом организме, а хотя бы на отдельных клетках. Для этого они взяли клеточную линию HEK293, в которую, из-за некоторых ее особенностей, очень удобно встраивать новые генетические конструкции. В данном случае эти клетки несли, во-первых, TRPV1-рецепторы с полигистидиновой меткой (TRPV1-His), а во-вторых — Ca2+-зависимую систему синтеза инсулина. Иными словами, при увеличении внутриклеточного уровня ионов кальция данные клетки начинали производить инсулин.

Добавив к этой клеточной культуре наночастицы, покрытые антителами к полигистидиновой метке, исследователи облучили получившуюся смесь радиоволнами и... обнаружили сильное повышение уровня вырабатываемого клетками предшественника инсулина — проинсулина, а также уровня инсулиновой мРНК. Методика работала!

Пришло время для экспериментов на животных. Для этого исследователи использовали линию нейроэндокринных клеток PC-12, которая способна вырабатывать значительные количества белков.

В эти клетки исследователи встроили вышеописанную систему TRPV1-His-Ins (то есть Ca2+-зависимо вырабатывающую инсулин и содержащую TRPV1 с гистидиновой меткой), а затем имплантировали эти клетки голым мышам (см. nude mouse; у этих мышей очень слабая иммунная система, поэтому их организм почти не отторгает пересаженные клетки). Клетки прижились и начали делиться, что привело к развитию у животных опухолей.

Затем опытным мышам в опухоль инъецировали наночастицы, а контрольным — физиологический раствор. После этого животных облучили радиоволнами и проверили уровень инсулина и глюкозы у них в крови. Уровень инсулина повышался, а уровень глюкозы падал (рис. 2) — это означало, что система работает и на целом организме.


Радиоизлучение может играть в организме роль универсального «рубильника»

Радиоизлучение может играть в организме роль универсального «рубильника»

Рис. 2. Под действием радиоволн (RF) в крови подопытных мышей падает уровень глюкозы. График, маркированный черными квадратиками, — опытные мыши, которым инъецировали наночастицы. График, маркированный белыми квадратиками, — контрольные мыши, которым инъецировали физраствор. По горизонтальной оси — время в минутах. По вертикальной оси — изменение уровня глюкозы в крови по сравнению с первоначальным в миллиграммах на децилитр. Изображение из обсуждаемой статьи в Science


Результаты были блестящими, но исследователям и этого показалось мало. Их угнетало, что разработанная методика требовала либо инкубирования наночастиц с клетками (in vitro), либо инъецирования этих частиц в организм (in vivo). А что если заставить сами клетки производить наночастицы? Эта нереальная на первый взгляд задача на самом деле легко осуществима. Белковый комплекс ферритин, являющийся в клетке основным депо железа, может формировать нечто вроде естественных парамагнитных наночастиц. Кроме того, в недавнем исследовании (K. Ziv et al., 2010. Ferritin as a reporter gene for MRI: Chronic liver over expression of H-ferritin during dietary iron supplementation and aging, PDF, 3 МБ) было показано, что ферритин может без особых последствий в течение длительного времени оверэкспрессироваться в мышином организме. Если ферритин будет плавать внутри клетки, то не надо будет заботиться о том, чтобы он соединился с TRPV1-рецептором, он и так будет находиться где-то рядом. Клетка при этом, конечно, сильно нагреется, и это может оказаться серьезным подводным камнем данной методики. Однако создание практически саморегулирующейся системы, не требующей добавления никаких веществ извне, того стоит.


Радиоизлучение может играть в организме роль универсального «рубильника»

Рис. 3. Схема работы методики с эндогенными наночастицами. Ферритиновые частицы, нагреваясь от радиоизлучения, передают тепло на рецептор и обеспечивают таким образом приток в клетку ионов кальция. Изображение из обсуждаемой статьи в Science


Итак, исследователи заставили клетки экспрессировать:
1) слегка модифицированный ферритин;
2) TRPV1-рецептор и
3) вышеописанную Ca2+-зависимую систему экспрессии инсулина.

И в результате после радиооблучения уровень вырабатываемого проинсулина тоже резко повысился! Однако эффективность данной методики была где-то на треть ниже, чем предыдущей, где наночастицы плавали снаружи клетки. Зато эта методика не зависит от инъекций и является, если можно так выразиться, более самодостаточной; кроме того, генетически кодируемые наночастицы дают гораздо больше свободы: можно, например, заставить их экспрессироваться дисперсно по организму, работать в определенном типе клеток и так далее. Методика явно будет совершенствоваться и дальше — например, можно использовать разные наночастицы, которые нагреваются при разной длине волны, чтобы при разных диапазонах радиоизлучения добиваться разных эффектов.

И вот перед нами потрясающая новая методика, которая пятьдесят лет назад разве что снилась фантастам в самых смелых снах. В будущем она сулит человечеству множество благ. В воображении возникают гигантские биореакторы, в которых под действием радиоизлучения культурами клеток производятся сложнейшие вещества; медицина, не требующая ни лекарств, ни операций — ничего, кроме радиоволн; ученые-экспериментаторы, которые вместо кропотливых и дорогостоящих манипуляций всего лишь облучают подопытные организмы радиоволнами, чтобы получить необходимый результат.

Однако помимо этих идиллических картин видятся и другие. Ровные ряды биокиборгов с наночастицами в центре агрессии (в вентролатеральном отделе вентромедиального ядра, см. ventromedial nucleus, Dayu Lin et al., 2011. Functional identification of an aggression locus in the mouse hypothalamus), которые впадают в ярость по повороту рубильника. Радионаркоманы, без конца стимулирующие наночастицы в центре удовольствия. И многие другие ужасы, уже описанные в фантастических романах. Будем надеяться, нам удастся всего этого избежать.

Источник: Sarah A. Stanley, Jennifer E. Gagner, Shadi Damanpour, Mitsukuni Yoshida, Jonathan S. Dordick, Jeffrey M. Friedman. Radio-Wave Heating of Iron Oxide Nanoparticles Can Regulate Plasma Glucose in Mice // Science. V. 336. P. 604–608.

Вера Башмакова


08 декабрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Т-клетка с химерным антигенным рецептором (CAR-T)

На этой иллюстрации показана борьба модифицированного Т-киллера с опухолью в ходе иммунотерапии острого лимфобластного лейкоза — CAR-T-терапии...

Т-клетки здоровых людей научили распознавать чужой рак

Один из перспективных подходов к лечению рака — применение Т-клеток, реагирующих на новые антигены, которые возникают вследствие мутаций в генах опухолей. Проблема в том, что лишь малая доля этих

Систему противовирусной защиты можно применить для эффективной иммунотерапии рака

Немецким ученым удалось создать принципиально новую противораковую вакцину. Они запаковали матричную РНК генов, специфичных для раковых клеток, в особые наночастицы и заставили их адресно проникать в

После еды мозг «ложится спать»

Специалисты Университета Манчестера определили, что клетки мозга, которые отвечают за состояние бодрствования, резко «выключаются» после еды. По мнению ученых, это открытие может пригодиться в

Почему не все курильщики болеют раком лёгких

Хотя врачи постоянно предупреждают о том, что курение вызывает рак лёгких, далеко не каждый курильщик подвержен этому заболеванию.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Существует 50% вероятность того, что мы живем в симуляцииВремя эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?Кого и зачем приносили в жертву Древние Египтяне?Ученые пытаются понять, как могла появиться жизнь на ВенереНа МКС найдено место утечки воздуха. Что дальше?Почему птицы летают клином11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над Антарктидой