Написано AZoNano 2020

Впервые в своем роде метод визуализации in vivo на основе наночастиц, который однажды может быть использован для диагностики и даже лечения рака, был разработан исследователями из Университета штата Мичиган, Университета Джона Хопкинса и Стэнфорда.

Техника захватывает механические свойства у живых объектов, которые исследуют фундаментальные связи между физикой и биологией in vivo (в живом организме). Результаты опубликованы в журнале Материалы сегодня .

Брайан Смит, адъюнкт-профессор биомедицинской инженерии в МГУ, работал с коллегами над созданием крошечных частиц, которые, попав в живые клетки, могут раскрыть важную информацию о структуре клеток – в том числе о том, как опухолевые клетки физически изменяются при формировании опухоли. .

Мы впервые разработали возможность измерения и количественной оценки наномеханических свойств отдельных живых клеток в организме живого животного ».

Брайан Смит, доцент кафедры биомедицинской инженерии в МГУ

В исследовании, проведенном ранее в этом году, Смит и его команда разработали наночастицы, которые помогли «съесть» атеросклероз, образование бляшек в артериях, которое может привести к сердечному приступу. Частицы избирательно попадают в клетки иммунной системы, известные как макрофаги, доставляя препарат, инструктирующий клетки пожирать вредные бляшки.

Теперь, Смит и его коллеги создали технику с использованием различных наночастиц, которые могут быть встроены в клетки различных типов, включая раковые клетки молочной железы, у живых животных. Анализ того, как частицы движутся внутри клетки, может многое рассказать о ее внутренних физических свойствах.

«Ранее не существовало метода для исследования механических свойств у живых объектов – например, у млекопитающих – с высоким пространственным разрешением», – сказал Смит. «Такие методы обещают открыть совершенно новые возможности для диагностики и лечения заболеваний».

Механические свойства биологических тканей, как известно, играют важную роль во многих болезненных состояниях, включая болезни сердца, воспаление и рак, а также в нормальной физиологии, такой как миграция клеток и развитие организма. В текущем исследовании Смит и его команда использовали наночастицы, чтобы сначала сравнить механические свойства клеток в культуре – как в стандартном 2D, так и в 3D – и у живых животных.

Отслеживание движения наночастиц показало, что среда, в которой наблюдаются клетки, сильно влияет на их механические свойства – это может означать, что некоторые модели клеток могут не быть такими достоверными представлениями о живых животных.

«Это говорит ученым, заинтересованным в механике рака, о том, что 2D-условия могут плохо воспроизводиться, и что некоторые 3D-условия существенно приближаются к условиям, имитирующим живую мышь», – сказал Смит.

В следующей части эксперимента рассматривалось, что на самом деле происходит с внутренней структурой раковых клеток, когда они начинают образовывать опухоли. Предыдущие методы не могли ответить на вопрос, потому что они были слишком инвазивны для тестирования на живых объектах.

Опять же, наблюдая за движением наночастиц внутри клеток, команда измерила, насколько «гибкими» или мягкими были клетки. Важно отметить, что они обнаружили, что податливость нормальных клеток оставалась постоянной с течением времени, но, поскольку раковые клетки образовывали опухоль в течение недели, они напрягались.

«Мы обнаружили, что по мере того, как опухоль начинает формироваться у живой мыши, отдельные опухолевые клетки механически укрепляются. Это фундаментальное открытие, которое в конечном итоге может иметь значение для распространения рака (метастазирования) и летальности опухоли», – сказал Смит. «Открытие стало возможным благодаря интеграции современных технологий получения изображений и отслеживания частиц из наших лабораторий и лабораторий наших сотрудников».

Исследование имеет ряд многообещающих применений в медицине. Одним из них является просто оценка того, какие методы культивирования клеток достаточно похожи на живые организмы для предоставления значимой информации. Другим является измерение механических свойств клетки общих биологических функций, включая развитие органов, в живых организмах.

Возможно, самое интересное применение может быть в диагностике и лечении заболеваний, сказал Смит. Наночастицы могут быть использованы для мониторинга состояния клеток и типов изменений, которые они претерпевают в болезненных процессах, и могут даже изменить это течение.

Смит и его коллеги планируют изучить формирование и распространение метастазов рака, которые вызывают около 90% случаев смерти от рака.

«Надеюсь, однажды мы сможем лечить физику метастазирования», – сказал он. «Но мы должны сначала понять механику и то, как ее изменение влияет на поведение клетки. Сейчас мы смотрим на это».

Источник: https://msu.edu/