Капсулу, образованную самосборкой крупных и мелких молекул, можно использовать для мгновенной инкапсуляции стволовых клеток (культурная среда придает капсуле розовый цвет).

Только представьте себе, что у Вас есть один полимер и одна маленькая молекула, которые мгновенно собираются в гибкую, но прочную капсулу, в которой можно выращивать стволовые клетки человека, создавая своего рода миниатюрную лабораторию. И если эту капсулу правильно использовать для клеточной терапии, она будет покрывать стволовые клетки из иммунной системы человеческого тела и биологически разлагаться после того, как будет достигнуто место назначения, после чего стволовые клетки  будут высвобождаться для того, чтобы выполнить свою функцию.

Футуристическая картина? Только до определенной степени. Коллектив исследователей из Института Бионанотехнологий в медицине при Северо-западном университете создал такие капсулы, и продемонстрировал, как человеческие клетки будут выращиваться в них. Исследователи также сообщают, что капсулы могут продолжать существовать неделями в культуре, и что их мембраны проницаемы для протеинов. Протеины, даже самые крупные из них, могут свободно проникать через мембрану.

С помощью такого нового и неожиданного способа самосборки, сообщение о котором будет опубликовано 28 марта в журнале Science, можно также производить тонкие пленки, форму и размер которых можно определять в зависимости от потребностей. Этот метод является очень многообещающим для использования в клеточной терапии и прочих биологических применениях, а также при проектировании электронных устройств с самосборкой, таких как солнечные батареи, а также при проектировании новых материалов.

"Мы начали с двух интересовавших нас молекул, которые мы растворили в воде, и соединили два раствора", - говорит Самуэль А. Стапп, профессор материаловедения, инжиниринга, химии и медицины Совета попечителей, который осуществлял это исследование.

"Мы ожидали, что произойдет смешивание, но, к нашему великому изумлению, они при вступлении в контакт сразу же образовали твердую пленку. Это было очень интересное открытие, и мы приступили к исследованиям причин, по которым это происходит. Но еще интереснее был процесс выявления принципа действия молекулярного механизма".

Одна из молекул представляла собой пептидный амфифил (РА). Это небольшие синтетические молекулы, которые Стапп разработал ранее еще семь лет тому назад, поскольку они были ему нужны для его работы в области регенеративной медицины. Другой молекулой была биополимерная гиалуроновая кислота (HA), которую нетрудно обнаружить в человеческом организме в таких местах, как суставы и хрящи. Недавно Стапп приступил к реализации нового исследовательского проекта по регенеративной медицине хрящей, который и привлек его внимание к гиалуроновой кислоте.

"Это наглядный пример информированного открытия", - говорит Стапп, директор Института Бионанотехнологий в медицине.  "Мы знали, что что-то интересное происходит при взаимодействии между пептидными амфифилами и биополимерами, полученными при нашем предыдущем исследовании наноструктур, которые способны заставлять расти кровеносные сосуды. И нам было особенно интересно заняться гиалуроновой кислотой из-за той роли, которую она играет в хрящах, ткани, которую взрослый организм не в состоянии регенерировать и которая при повреждении суставов причиняет людям большие страдания".

Используя только эти две молекулы, Стапп и его сотрудники могут создавать множество различных структур, двумя наиважнейшими из которых являются капсулы, обладающие твердой мембраной с внешней стороны и жидкие внутри, а также плоские мембраны любой формы. Исследователи могут создавать большие и малые структуры, брать материалы пинцетом, растягивать их и даже легко восстанавливать капсулы за счет самосборки, если материал порвется или же возникнет какое-либо иное повреждение. Капсулы также достаточно прочны для хирургического сшивания с биологическими тканями.

Крупные (гиалуроновая кислота) и мелкие (пептидные амфифильные) молекулы соединяются за счет надмолекулярного взаимодействия, а не в результате химической реакции, при которой образуются ковалентные связи.

В случае с образованием плоской мембраны исследователи поместили раствор пептидного амфифила на дно мелкой формы и добавили сверху раствор гиалуроновой кислоты. Два вещества при контакте вступили во взаимодействие с образованием твердого вещества. За счет изменения видов формы, исследователи смогли создать целый ряд разнообразных форм, включая звезды, треугольники и шестигранники, у каждой из которых были две химически различные поверхности. В сухом состоянии материалы прочные и жесткие, совсем как пластмассы.

При создании капсулы исследователи использовали тот факт, что молекулы гиалуроновой кислоты (НА) крупнее и тяжелее более мелких молекул пептидного амфифила (РА). Они наливали в глубокий сосуд раствор РА, а затем добавляли к нему раствор НА. По мере того, как более тяжелые молекулы опускались вниз, более легкие молекулы окружали их, создавая закрытые капсулы с заключенным внутри пленочных образований раствором НА.

После того, как они осуществили формирование капсул, Стапп и его коллеги приступили к изучению стволовых клеток человека, инкапсулированных в ходе процесса самосборки внутри капсул, которые они поместили в культуру. Исследователи обнаружили, что клетки оставались жизнеспособными до четырех недель, что крупный протеин (фактор роста, играющий существенную роль в передаче сигналов стволовых клеток) мог проходить через мембрану, а также то, что стволовые клетки были способны к дифференциации.

"Мы ожидаем, что гены, молекулы малой интерферирующей РНК и антитела будут также проходить через мембрану, что превратит эту миниатюрную лабораторию клеточной биологии в мощное орудие для исследования или терапии", - говорит Стапп. "Для разработок в области раковой терапии мы сможем заключать клетки в капсулы и изучать их реакцию на различные виды терапии, а также на сигналы, подаваемые различными клетками из соседних капсул".

Был продемонстрирован интеллектуальный механизм самовосстановления, когда в мембране капсулы образовалось отверстие (например, от иглы для инъекций), исследователи просто добавили каплю раствора РА на место разрыва, раствор прореагировал с находящейся внутри HA, и, в результате, произошла самосборка и герметизация отверстия.

"Эта мембрана представляет собой удивительную и необычную структуру с высокой степенью иерархической упорядоченности", - говорит Стапп. "Мембрана вырастает за счет динамического процесса самосборки, при котором генерируются гибридные нановолокна, образующиеся из обеих молекул и ориентированные перпендикулярно плоскости мембраны. Такую структуру очень трудно спонтанно получить в материалах. При использовании правильной химии можно создать толстую мембранную структуру, способную проводить заряд в солнечных батареях или наноразмерные колонки каталитических наноструктур, которые смогут распространяться по произвольным макроскопическим размерам".

Хотя лежащая в основе и высокоупорядоченная структура капсул и мембран имеет наноразмерный масштаб, сами капсулы и мембраны могут иметь любые размеры, и могут быть видимыми невооруженным человеческим глазом.

Статья в журнале Science озаглавлена "Самосборка крупных и мелких молекул в иерархически упорядоченные капсулы и мембраны". Помимо Стаппа авторами являются Рамил М. Капито (основной автор), Юрий С. Величко и Алваро Мата, все сотрудники Института Бионанотехнологий в медицине Северо-западного университета (IBNAM); а также Хелена С. Азеведу из IBNAM и Университета Минго, Португалия.

Исследование проводилось при поддержке Министерства энергетики США, Национальных институтов здравоохранения и Национального научного фонда.

Источник: Институт Бионанотехнологий в медицине Северо-западного университета

www.Newchemistry.ru