В тесноте, да не в обиде. Как внутри клетки диаметром 20 микрон уместили целый полимерный цех

Человеческие клетки невероятно малы — около 20 микрометров в диаметре, примерно одна пятая толщины человеческого волоса. При этом внутри каждой клетки плотно упакованы белки, органеллы и молекулярные механизмы. Возможность размещать крошечные структуры в этом пространстве позволила бы учёным отслеживать клетки во времени, измерять химические изменения или изучать реакции на физические воздействия.

До сих пор это было практически невозможно. Большинство клеток не способны поглощать твёрдые объекты крупнее одного микрометра. Иммунные клетки могут захватывать чужеродный материал, но он оказывается заперт внутри мембранных пузырьков и не попадает в цитоплазму, где мог бы свободно взаимодействовать с клеткой. Другие методы — например, микроинъекции или временное вскрытие мембраны — хорошо работают для доставки молекул, но не подходят для размещения твёрдых самостоятельных конструкций.

Исследователи из Словении показали, что это всё-таки возможно. В работе, опубликованной в журнале Advanced Materials, команда продемонстрировала создание полимерных микроструктур непосредственно внутри живых человеческих клеток с помощью лазерного метода, известного как двухфотонная полимеризация. Фактически клеточное пространство превратилось в площадку для точного биопроизводства, сообщает Nanowerk.

Процесс начинается с введения печатного материала в клетку. С помощью сверхтонких стеклянных игл учёные вводили крошечные капли коммерческого фоторезиста IP-S в клетки линии HeLa. Материал специально подбирали так, чтобы он был совместим с живыми клетками, оставался нетоксичным после затвердевания и растворялся, если не был полностью отверждён.

После инъекции каждую каплю размером от 10 до 15 микрометров облучали сверхбыстрым лазером через высокоточный микроскоп. Лазер запускал полимеризацию только в точке фокуса, что позволяло точно формировать трёхмерные структуры внутри клетки. Сканируя фокус сквозь материал слой за слоем на высокой скорости, команда создавала твёрдые микроструктуры, не повреждая окружающую клеточную среду.

Для демонстрации метода учёные напечатали разнообразные крошечные формы: десятимикрометрового слона, логотипы лаборатории, полые сферы и решётчатые структуры. Визуализация подтвердила, что объекты находились внутри клеточной мембраны, а ядра клеток заметно меняли форму, освобождая место для напечатанного материала.

Влияние на выживаемость клеток оказалось сопоставимо с другими инвазивными методами. Через 24 часа около 55 процентов клеток с напечатанными структурами погибли — примерно столько же, сколько при простом прокалывании мембраны без печати. Выжившие клетки вели себя нормально: сохраняли типичную форму и продолжали делиться. Покадровая съёмка показала, что напечатанные объекты передаются дочерним клеткам во время деления. Однако более крупные структуры влияли на поведение клеток: объекты размером больше 5 микрометров задерживали деление как минимум на час.

Пока метод требует индивидуальной инъекции в каждую клетку, что ограничивает его масштабирование. Тем не менее сама возможность печатать твёрдые объекты точной формы прямо в цитоплазме открывает новые перспективы — от приложения контролируемых механических сил до локального измерения параметров среды или адресной доставки лекарств.