Клетки постоянно общаются друг с другом и имеют способы улавливать сигналы и обрабатывать их – аналогично людям, которым нужны уши, чтобы слышать звуки, и знание языка, чтобы обрабатывать их значение. Контроль собственных сигнальных путей клетки представляет большой интерес для медицины при лечении различных заболеваний.
Исследовательская группа химического факультета Базельского университета и NCCR Molecular Systems Engineering разрабатывает биоактивные материалы, которые могут быть подходящими для этой цели.
Чтобы добиться этого, исследователи под руководством профессора Корнелии Паливан комбинируют наноматериалы с естественными молекулами и клетками.
В журнале ACS Nano они теперь сообщают, как нагруженные ферментом нанокапсулы могут проникать в клетки и интегрироваться в их собственные процессы передачи сигналов. Функционально связывая несколько нанокапсул, они могут усиливать естественный сигнальный путь.
Защита груза
Чтобы защитить ферменты от разложения в клеточной среде, исследовательская группа загрузила их в небольшие полимерные капсулы. Молекулы могут проникать в отсек через биологические поры, специально вставленные в его синтетическую стенку, и вступать в реакцию с ферментами внутри.
Исследователи провели эксперименты с нанокапсулами, содержащими разные ферменты, которые работали в тандеме: продукт первой ферментативной реакции попал во вторую капсулу и запустил вторую реакцию внутри. Эти нанокапсулы могли оставаться в рабочем состоянии в течение нескольких дней и активно участвовали в естественных реакциях в клетках млекопитающих.
Крошечные динамики и уши
Один из многих сигналов, которые клетки получают и обрабатывают, – это оксид азота (NO). Это хорошо изученный клеточный механизм, поскольку дефекты сигнального пути NO участвуют в возникновении сердечно-сосудистых заболеваний, а также в мышечных дистрофиях и дистрофиях сетчатки.
Этот путь включает производство NO семейством ферментов, называемых синтазами оксида азота (NOS). Затем NO может диффундировать к другим клеткам, где он ощущается другим ферментом, называемым растворимой гуанилатциклазой (sGC). Активация sGC запускает каскадную реакцию, регулирующую множество различных процессов, таких как расслабление гладких мышц и обработка света сенсорными клетками, среди прочего.
Исследователи под руководством Паливана создали капсулы, содержащие NOS и sGC, которые естественным образом присутствуют в клетках, но в гораздо более низких концентрациях: капсулы NOS, производящие NO, действуют аналогично громкоговорителям, «выкрикивая» свой сигнал громко и отчетливо; sGC-капсулы действуют как «уши», воспринимая и обрабатывая сигнал, чтобы усилить ответ.
Используя внутриклеточную концентрацию кальция, которая зависит от действия sGC, в качестве индикатора, ученые показали, что комбинация капсул, загруженных как NOS, так и sGC, делает клетки намного более реактивными, с 8-кратным увеличением уровня внутриклеточного кальция.
Новая стратегия заместительной ферментной терапии
«Это новая стратегия стимулирования таких изменений в клеточной физиологии путем объединения нанонауки с биомолекулами», – комментирует д-р. Андреа Беллуати, первый автор исследования. «Нам просто нужно было инкубировать наши капсулы с ферментами вместе с клетками, и они были готовы действовать в любой момент."
«Это подтверждение концепции является важным шагом в области заместительной ферментной терапии заболеваний, при которых нарушаются биохимические пути, таких как сердечно-сосудистые заболевания или несколько дистрофий», – добавляет Корнелия Паливан.