Исследователи университета Калифорния разработали «разумную» чашу Петри

Исследователи американского университета Калифорния, Сан-Диего, разработали то, что они сами назвали «разумной чашей Петри», при помощи которой можно моментально выявить наличие токсического взаимодействия в новых лекарствах или идентифицировать клетки на ранних стадиях рака, циркулирующие в крови пациента.

В их изобретении, описанное в выпуске Langmuir от 20 июня, физико-химическом журнале, публикуемом Американским химическим обществом, используются кристаллы пористого кремния, заполненные полистиролом для обнаружения малейших отклонений в размере и форме клеток.

«Одна из самых больших опасностей в любом потенциально новом лекарстве – токсичность», - говорит Майкл Сэйлор, профессор химии и биохимии в университете Калифорния, возглавляющий команду исследователей. «Поскольку печень – это орган, очищающий кровь, то клетки печени особенно восприимчивы к попаданию токсинов в кровь. Фармацевтические компании хотят заранее знать эффект, который оказывают лекарства на печень. Но вычислять каждого потенциального кандидата на живых животных, обычно крысах, очень дорого. Так что, используя всего несколько клеток печени, а не целое животное, можно провести намного больше тщательных тестов».

«В принципе, также можно использовать его для определения раковых метастатических клеток, циркулирующих в крови пациента», - добавляет Сэйлор, «но если поместить образец крови пациента на кристалл и сравнить их с нормальными образцами крови».

К тому же, говорит Майкл Швартц, кандидат наук из команды Сэйлора и первый автор труда: «Потенциал нашей новой технологии для фундаментального изучения токсичности клеток восхитителен. Поскольку мы можем следить за клетками в реальном времени в их естественной среде, то наблюдаемые изменения дают определенный промежуток времени для проведения более детальных тестов для выяснения причины токсичности лекарства».

Ученые построили свою «разумную» чашу Петри впервые сделав в кристаллах кремния отверстия нанометрического масштаба. Это позволило им создать фотонный кристалл, который может контролировать свет подобно тому, как полупроводники передают электричество посредством компьютерных чипов. Совместив клетки печени крысы с полистиролом внутри кристалла и измерив рассевающийся свет чувствительным спектрометром, они смогли обнаружить едва заметные изменения в формах клеток, поскольку они реагируют на токсические дозы хлорида кадмия и ацетаминофена.

«Поскольку эти клетки сморщились от токсина, т они стали лучше рассеивать свет, вроде как туман на лобовом стекле автомобиля, что позволило нам быстро определить, какие лекарства могут иметь побочный эффект, если принимать их в сочетании с другими», - говорит Сэйлор. «Нельзя употреблять ь если Вы принимаете ацетаминофен, потому что это сочетание намного более токсично для Вашей печени, чем каждый из них в отдельности. Это неблагоприятное взаимодействие двух лекарств и очень дорого и долго вычислять все возможные комбинации лекарств, которые может принимать пациент. «Разумная» чаша Петри позволяет нам проводить большое количество таких анализов токсичности одновременно, чтобы заранее выяснить конкретные физиологические или фармакологические условия, необходимы для тщательного изучения».

«Хотя мы проводили эти эксперименты на клетках крыс, эта технология легко может применяться и к клеткам человека», - говорит Сангита Бхатия, профессор биоинженерии из университета Калифорния, которая теперь работает в Массачусетском технологическом институте, и принимавшая участие в исследовании. «Это очень важно, потому что мы знаем, что энзимы, которые метаболизируют лекарства – семейство Р450 – человека и животных очень отличаются. Это одна из причин, по которой многие лекарства проходят испытания на животных, но оказываются токсичными для пациентов. Этот тип датчика может помочь нам предсказать реакцию печени человека без участия пациента».

«Поскольку «разумная» чаша Петри постоянно показывает изменения клетки», - добавляет она, «то этот тип датчика также может быть очень полезным для лучшего понимания того, как токсичные вещества в окружающей среде, такие как загрязняющие вещества в воде или вирусы, такие как гепатит, могут вызвать долгосрочное разрушение печени»,

В исследовании также принимали участие Сара Альварез, выпускник лаборатории Сэйлора и Остин Дерфус, выпускник бывшей инженерной лаборатории Бхатии в университете Калифорния. Университет Калифорния подал несколько патентных заявок на прибор, который сейчас находится в процессе превращения его в источник прибыли исследовательским химическим центром Hitachi в Ирвине, штат Калифорния.

Конструкция нового прибора построена на предыдущих разработках лабораторий Сэйлора и Бхатии университета Калифорния, которые позволили ученым полностью сохранить функционирование клеток печени в культуре. Тогда как многие типы клеток можно легко вырастить в чаше для культивирования, обычные клетки печени намного более разборчивые и быстро умирают при выделении их из тела.

Но разработка пористого кристалла кремния с миниатюрными скважинами, как в жестяных банках для печенья и кексов, исследователи смогли скопировать внеклеточную матрицу печени и сохранить клетки печени живыми. В этом кристалле отдельные клетки содержатся в колодцеподобных конструкциях от 2 до 1500 нанометров в диаметре, не толще человеческого волоса, которые обеспечивают приток питательных и химических веществ сквозь культуру клетки и отфильтровывают более крупные частицы, такие как бактерии и вирусы. Эта конструкция убеждает клетки вести себя коллективно, так же, как и в полнофункциональной печени.

Ученые пишут в своей работе, что в ходе экспериментов «разумная» чаша Петри определяла изменения в клетках, подверженных влиянию токсинов «до того, как традиционные анализы показывали снижение жизнеспособности, что демонстрирует потенциал этой технологии как дополнительного инструмента в изучении жизнеспособности клетки». К тому же, добавляют они, их метод «не требует вмешательства и может проводиться в реальном времени, что представляет собой значительное преимущество по сравнению с другими технологиями для наблюдения за морфологией клеток in vitro», что означает наблюдение в лаборатории, а не на животных и человеке.

Исследование поддерживали фонд Дэвида и Люсиль Пэкэрдов, Национальный институт рака Национального института здравоохранения и отдел научных исследований ВВС США. Инф. brightsurf.

Подготовил Антон Юр,
корреспондент

ELCOMART News
(e-news)