Ученые создали нано-пинцет для исследования клеток человека изнутри

Исследователи из Технического университета Торонто создали набор магнитных «пинцетов», которые могут манипулировать шариком наноразмера внутри человеческой клетки с беспрецедентной точностью. Нано-пинцет уже использовался для изучения свойств раковых клеток и был полезен в лечении и улучшении диагностики.

Профессор Ю. Сунь и его команда строят роботов, которые могут манипулировать отдельными клетками уже в течение двух десятилетий. Их творения обладают способностью манипулировать и измерять отдельные клетки, они полезны в таких процедурах, как экстракорпоральное оплодотворение и персонализированная медицина. Их последнее исследование, опубликованное сегодня в Science Robotics, показывает, что данная технология сделала уверенный шаг вперед.

Команда уже создала роботизированные системы, которые могут манипулировать субклеточными структурами под электронным микроскопом, но для этого требуется лиофилизация клеток и разрезание их на крошечные кусочки. Чтобы исследовать живые клетки, другие команды использовали такие методы, как лазеры или акустика.

«Оптический пинцет — это зондирование клеток при помощи лазеров, популярная технология», — говорит Ксан Вонг, проводивший исследование. Создатели данной технологии были удостоены Нобелевской премии по физике 2018 года, но сила, которую она может генерировать, недостаточно велика для механических манипуляций и измерений.

«Вы можете попытаться увеличить мощность, чтобы генерировать более высокую силу, но вы рискуете повредить субклеточные компоненты, которые вы пытаетесь измерить», — говорит Вонг.

Разработанная Вонгом система использует шесть магнитных катушек, расположенных в разных плоскостях вокруг покровного стекла микроскопа, засеянного живыми раковыми клетками. Магнитный железный шарик диаметром около 700 нанометров (примерно в 100 раз меньше толщины человеческого волоса) помещается на покровное стекло, где раковые клетки легко переносят его внутрь своих мембран.

Когда шарик находится внутри, Вонг может контролировать его положение в реальном времени. Он использует алгоритм, чтобы регулировать электрический ток в каждой из катушек, формируя магнитное поле в трех измерениях и направляя шарик в любое желаемое положение внутри ячейки.

Ученые могут управлять металлическим шариком внутри клетки в любом направлении.

Изображение: Wang et al., Sci. Robot. 4, eaav6180 (2019)

«Мы можем контролировать положение с точностью до пары сотен нанометров ниже предела броуновского движения, а также можем оказывать силы на порядок выше, чем было бы возможно с лазерами», — говорит Вонг.

В сотрудничестве с больничными докторами, команда использовала свою роботизированную систему для исследования клеток рака мочевого пузыря на ранней и поздней стадиях.

Предыдущие исследования на клеточных ядрах требовали их извлечения из клеток, но используя нано-пинцет, учёные измерили клеточные ядра в интактных клетках без необходимости разрушения клеточной мембраны или цитоскелета.

По словам ученых, они уже представляют как водят целые рои этих нано-ботов и используют их для того, чтобы либо оставить опухоль голодной, блокируя кровеносные сосуды в ней, либо уничтожать ее непосредственно путем механической абляции. «Это могло бы предложить способ лечения раковых заболеваний, устойчивых к химиотерапии, лучевой терапии и иммунотерапии», — говорит доктор Сунь.

Эти приложения еще далеки от клинического внедрения, но учёные взволнованы этим направлением исследований.

«Мы достигли беспрецедентной точности в управлении положением и силой воздействия. Это большая часть того, что нам было нужно, так что следите за обновлениями!»