Первый в своем роде метод визуализации in vivo на основе наночастиц, который может когда-нибудь использоваться для диагностики и даже лечения рака. разработано исследователями из университетов штата Мичиган, Джонса Хопкинса и Стэнфорда.
Техника фиксирует механические свойства у живых объектов, которые исследуют фундаментальные связи между физикой и in vivo (в живой организм) биология. Результаты опубликованы в журнале Материалы сегодня .
Брайан Смит, доцент кафедры биомедицинской инженерии в МГУ, работал с коллегами над созданием крошечных частиц, которые, попав внутрь живых клеток, может раскрыть важную информацию о структуре клеток, в том числе о том, как физически изменяются опухолевые клетки при образовании опухоли.
«Мы впервые разработали возможность измерения и количественного определения наномеханических свойств отдельных живых клеток в организме живого животного», – сказал Смит.
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 сердечной недостаточности. атака. 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 исследования механических свойств живых организмов, например, млекопитающих, с высоким пространственным разрешением», – сказал Смит. «Такие методы обещают открыть совершенно новые возможности для диагностики и лечения заболеваний».
Известно, что механические свойства биологических тканей 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 между клетками в культуре – как стандартных 2-D и 3-D – так и у живых животных.
Отслеживание движения наночастиц показало, что среда, в которой наблюдаются клетки, сильно влияет на их механические свойства, что может означать, что некоторые модели клеток могут не такие достоверные представления о живых животных.
«Это говорит ученым, интересующимся механикой рака, что 2- D-условия могут плохо воспроизводиться, и что некоторые 3-D-условия становятся существенно ближе к имитации условий в живой мыши, “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 (метастазирование). ) и летальность опухоли “, сказал Смит. «Открытие стало возможным благодаря интеграции самых современных технологий получения изображений и отслеживания частиц из наших лабораторий и лабораторий наших сотрудников».
Исследование имеет ряд перспективных применений в медицине. Одним из них является просто оценка того, какие методы культивирования клеток достаточно похожи на живые организмы, чтобы предоставить значимую информацию. 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 посмотреть на образование и распространение метастазов рака, которые вызывают около 90% случаев смерти от рака.
«Надеюсь, однажды мы будем способен 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».