Nová technologie založená na světle uspořádává mobilní posly s nebývalou přesností

V úžasných nových časosběrných videích se biologické nanočástice pohybují a poletují po hvězdném poli zářících bodů. Tito mikroskopičtí cestovatelé vedeni neviditelnou chemií přitažlivosti se nakonec seskupují a tvoří dokonale kulaté, zářící kruhy na černém povrchu.

Tato fascinující nová videa jsou umožněna díky LEVA (světlem indukovaná extracelulární vezikula a adsorpce částic), převratné nové technologii z Northwestern University a The Ohio State University.

LEVA je první nástroj, který umožňuje vědcům přesně uspořádat drobné biologické balíčky nazývané povrchově vázané extracelulární vezikuly a částice (EVP). Buňky uvolňují tyto drobné balíčky do biotekutin a zanechávají je v tkáních, kde pomáhají předávat zprávy dalším buňkám. Tím, že signalizují buňkám, aby se pohybovaly nebo opravovaly poškození, EVP zřejmě ovlivňují mnoho důležitých procesů v lidském těle, včetně hojení ran, infekce, regenerace a šíření rakoviny.

Pomocí LEVA mohou vědci sledovat tyto malé biologické kurýry, jak interagují s buňkami v reálném čase. Poté mohou vědci zkoumat, jak zprávy EVP urychlují hojení, pomáhají bránit tělo nebo proliferovat nemoci.

Studie bude zveřejněna zítra (18. listopadu) v časopise Nature Methods. Představuje první rychlý, škálovatelný nástroj s vysokým rozlišením pro kontrolu EVP bez použití protilátek, chemických značek nebo zachycovacích molekul.

„Náš výzkum poskytuje vědcům mocný nový nástroj k pochopení toho, jak buňky komunikují prostřednictvím ‚drobečkových cest‘, které za sebou zanechávají během pohybu ve zdravém i nemocném kontextu,“ řekl Colin Hisey z Northwestern, který spoluvedl práci. „Lepší pochopení jejich role by mohlo vést k novým způsobům léčby nemocí a zlepšeným terapiím hojení ran. Všestrannost této techniky znamená, že ji mohou přijmout výzkumníci po celém světě a urychlit objevy v mnoha oblastech lidského zdraví.“

Hisey je odborným asistentem biomedicínského inženýrství na Northwestern’s McCormick School of Engineering. Práci vedl společně s Xilalem Y. Rimou a Jacobem Doon-Rallsem, postdoktorským a postgraduálním spolupracovníkem na Ohio State University. Hlavním autorem studie je Eduardo Reátegui, docent chemického a biomolekulárního inženýrství na Ohio State University.

Září světlo na mobilní posly

Jak se buňky pohybují tělem, přirozeně uvolňují drobné membránou zabalené EVP, které nesou proteiny, RNA a další molekulární náklad. Jakmile se EVP uvolní, působí jako poslové mezi buňkami, aby utvářeli různé biologické procesy, včetně imunitních reakcí a růstu tkání.

Vědci tradičně studovali EVP suspendované v kapalině. Hisey a jeho tým však chtěli prozkoumat, co se stane, když jsou EVP upevněny na místě, což funguje jako plán pro cestující buňky. LEVA funguje tak, že svítí ultrafialovým světlem na malou řadu zrcadel a poté na povrch, aby vytvořil vzor podobný šabloně. Oblasti vystavené světlu procházejí chemickou změnou a stávají se lepivými na EVP. Neexponované oblasti však zůstávají neutrální.

Když jsou EVP zavedeny, přirozeně se přichytí k exponovaným oblastem a vytvoří přesné vzory, jako jsou tečky, čáry, přechody, stopy nebo dokonce složité obrázky. To umožňuje vědcům uspořádat EVP do řízených tvarů a cest, které napodobují, jak by mohly být uspořádány v lidských tkáních.

Zdá se, že EVP hrají klíčovou, ale špatně pochopenou roli při migraci rakoviny a metastázahojení ran a imunitní reakce. Dříve vědci postrádali nástroje, jak je kvantitativně a systematicky studovat. LEVA používá řízené ultrafialové světlo k přitahování těchto vezikul se subcelulární přesností založenou na jejich vrozených vlastnostech. To dříve nebylo možné a díky našemu interdisciplinárnímu týmu přichází tato technologie právě v době, kdy tento obor získává velkou pozornost a dynamiku.“

Colin Hisey, odborný asistent biomedicínského inženýrství, Northwestern’s McCormick School of Engineering

Imunitní buňky následují „drobečkovou stopu“, aby zaútočily na infekci

Po vyvinutí vzorců EVP chtěli Hisey a jeho spolupracovníci studovat, jak interagují s buňkami v reálném čase. Použili LEVA k vytvoření přesných tvarů EVP z bakterií, simulujících infekci. Poté tým přidal izolované lidské neutrofily, typ bílých krvinek, které fungují jako první reagující imunitní systém.

Neutrofily byly rychle detekovány a rojily se směrem k vzorovaným bakteriálním EVP. Neutrofily se těsně shlukly nad EVP a napodobovaly, jak se mohou shromažďovat v místě skutečné rány nebo infekce v těle. V doprovodných časosběrných videích mohou diváci sledovat, jak se armáda bílých krvinek třese a kývá po plochém povrchu a pokrývá vzory vytvořené z bakteriálních EVP v různých tvarech včetně teček a dokonce hvězd.

Experiment ukazuje, že samotné EVP – bez živých bakterií – fungují jako silné chemické majáky pro imunitní buňky. S LEVA mohou vědci studovat toto chování signál-odezva s vysokou přesností, což by mohlo pomoci výzkumníkům lépe porozumět imunitní signalizaci a zánět.

„Neutrofily se vyvinuly, aby rozpoznaly antigeny přítomné na bakteriálních buňkách, a tedy také bakteriální EVP, protože jsou tak podobné, “ řekl Hisey. „Jakmile se neutrofily dostanou do kontaktu s EVP a zpočátku je zacítí, podstoupí dynamické reakce, kterým se stále snažíme porozumět. To je něco, co nám naše platforma může pomoci při studiu.“

Co bude dál?

Dále Hisey a jeho tým plánují rozšířit LEVA za ploché, průhledné povrchy na složitější, trojrozměrné a biologicky relevantní materiály, aby lépe napodobovaly podmínky uvnitř lidského těla. Doladěním vzorců a gradientů tým nakonec doufá, že dekóduje pravidla chování buněk řízeného EVP, od vedení regenerace tkání až po zastavení šíření rakoviny.

„Chceme aplikovat LEVA v různých oblastech onemocnění, abychom systematicky zmapovali, jak různé typy povrchově vázaných vezikul ovlivňují chování buněk v různých podmínkách a konfiguracích, s počátečním zaměřením na metastázy rakoviny, hojení ran a imunitní reakce na patogenní EVP,“ řekl Hisey. „Naše dlouhodobé cíle zahrnují vývoj terapeutických strategií, které využívají nebo blokují tyto vezikuly zprostředkované buněčné komunikace, a rozšiřování techniky pro studium toho, jak nanočástice interagují s povrchy v kontextu čistě materiálového inženýrství.“

Studii „Světlem indukovaná extracelulární vezikula a adsorpce částic“ podpořily National Institutes of Health, Centrum pro rakovinové inženýrství státu Ohio, program OK-PROS a LEGACY a Burroughs Wellcome Fund.