Ученые из физического, факультета фундаментальной медицины и факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова, в сотрудничестве с коллегами из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и Сколковского института науки и технологий, создали микроиглы для точечной фиксации, молекулярного анализа и доставки лекарственных средств непосредственно в клетки. Разработанная система кремниевых микроигл, покрытых золотом, обеспечивает надежную фиксацию живых клеток и позволяет проводить анализ их молекулярного состава с использованием спектроскопии гигантского комбинационного (рамановского) рассеяния света. Главное достоинство данной разработки заключается в возможности одновременной доставки химиотерапевтического препарата и мониторинга внутриклеточных изменений в реальном времени, причем на уровне отдельной клетки. О результатах исследования сообщил авторитетный международный журнал Microchemical Journal (Elsevier).
Микроиглы – это миниатюрные структуры, способные проникать в ткани. Они обеспечивают адресную доставку веществ непосредственно в клетки или в пространство вокруг них. Минимальная инвазивность и возможность целенаправленной модификации делают микроиглы значимым инструментом в биофизике и медицине. Их применяют не только для трансдермальной доставки лекарственных препаратов, но и для локального введения генов, белков и других молекул в определенные области, такие как опухоли или мозг. Комбинирование микроигл с сенсорами представляется особенно перспективным, поскольку это позволяет отслеживать молекулярные процессы внутри клеток в режиме реального времени, что открывает новые горизонты для персонализированной терапии, диагностики и фундаментальных исследований.
Специалисты Московского государственного университета разработали массивы кремниевых микроигл, увенчанных золотыми наноструктурами, напоминающими корону. Эти структуры позволяют увеличить локальное электромагнитное поле в сто миллионов раз, что приводит к существенному усилению сигнала рамановского рассеяния, и при этом позволяют проникать внутрь живых клеток, не повреждая их.
«Эта платформа объединяет в себе ряд уникальных функций. В ее основе лежит эффект комбинационного (рамановского) рассеяния света – явление, при котором лазерный луч взаимодействует с молекулой и рассеивается с изменением частоты, соответствующим колебаниям химических связей. Полученный спектр представляет собой своего рода «молекулярный отпечаток», позволяющий с высокой точностью определить состав вещества. Однако в чистом виде сигнал рамановского рассеяния крайне слаб. Использование плазмонных металлов, таких как наночастицы золота, для наноструктурирования поверхности позволяет усилить этот сигнал благодаря эффекту поверхностного плазмонного резонанса – в десятки и сотни миллионов раз. Это превращает систему в высокоэффективный экспресс-сенсор, обеспечивающий получение спектров с высокой чувствительностью и пространственным разрешением», – пояснила заведующая лабораторией кафедры медицинской физики физического факультета МГУ Л.А. Осминкина.
Микроиглы обеспечивают надёжную фиксацию живых клеток на своей поверхности, что ограничивает их перемещение, но не влияет на их жизнедеятельность. Это критически важно, когда необходимо длительное наблюдение за клеткой с уверенностью в сохранении её жизнеспособности. Отличительной особенностью разработки является способность не только удерживать клетки, но и одновременно обеспечивать доставку лекарственных препаратов внутрь, таких как доксорубицин, который часто применяется в химиотерапевтических курсах.
Как это функционирует? Специалисты заранее пропитывают микроиглы лекарственным препаратом, после чего помещают их в контакт с клетками. Со временем в спектрах рамановского рассеяния возникают характерные сигналы, свидетельствующие о начале токсического воздействия – это означает, что лекарство проникло внутрь клетки и начало оказывать эффект. Наблюдение за этим процессом возможно в режиме реального времени, без применения флуоресцентных меток и без нарушения целостности клеточной мембраны. Фактически, мы получаем молекулярную «ленту новостей» непосредственно из живой клетки – до, во время и после воздействия лекарственного средства.
«Клетки живых организмов обладают высокой подвижностью. Даже в лабораторных условиях, на поверхности чашки Петри, они непрерывно перемещаются, и за время подготовки лазерного оборудования клетка может просто сместиться из зоны облучения. Если необходимо не просто однократное измерение спектра, а наблюдение за изменением молекулярного состава отдельной клетки во времени, задача становится крайне сложной. Наша система позволяет решить эту проблему. Мы фиксируем клетку с помощью микроигл, содержащих золото, не оказывая негативного влияния на её жизнеспособность. Клетка остаётся живой и активной, но при этом перестаёт двигаться. Это даёт возможность регистрировать её молекулярную реакцию на воздействие лекарственных средств в реальном времени и с высокой степенью точности. Кроме того, благодаря эффекту гигантского комбинационного рассеяния, мы можем отслеживать даже незначительные изменения в составе клетки буквально за секунды, без использования меток и разрушения клетки», — отмечает Л.А. Осминкина.
Работа была проведена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 24-15-00137) и Научно-образовательной школы МГУ «Фотоника» (23-SCH06−19).
Материал создан при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации