Tradycyjne techniki dostarczania dużych cząsteczek do wnętrza komórek, takie jak elektroporacja czy lipofekcja, są skuteczne, ale wiążą się z ograniczeniami. Mogą uszkadzać błony komórkowe, wymagać kosztownego sprzętu, a ich efektywność często bywa niska w przypadku trudnych do transfekcji linii komórkowych, takich jak komórki nowotworowe MDA-MB-231. Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN opracowali innowacyjny preparat Cell-IN, który wykorzystuje zjawisko szoku osmotycznego w zupełnie nowy sposób.
Czytaj też: Nowa droga do wnętrza komórki. Leki, które miały być za duże, wracają do łask
Podczas kongresu „Nauka dla społeczeństwa” dr Aneta Magiera, która odpowiada za stworzenie Cell-IN wraz z dr Kariną Kwapiszewską, opowiedziała, jak ta prosta w zamyśle technologia może odmienić medycynę i nauki biologiczne.
Dr Aneta Magiera, jedna z autorek technologii Cell-IN, podczas prelekcji na kongresie „Nauka dla społeczeństwa”, powiedziała.
Każda komórka naszego organizmu jest otoczona błoną komórkową. To taka tarcza, która chroni komórkę przed środowiskiem zewnętrznym. Skoro to tarcza, to jej przekroczenie i wprowadzenie czegoś do wnętrza komórki, nie jest zadaniem prostym. To wyzwanie dla większości badań biologicznych, biochemicznych czy biomedycznych.
Cell-IN, czyli legalny „włam” do komórki
Cell-IN to odczynnik polimerowy, który transportuje pożądany związek do ludzkiej komórki szybko i prosto. Kluczowym mechanizmem działania Cell-IN jest wywołanie szoku osmotycznego – zjawiska, w którym nagła zmiana stężenia substancji w otoczeniu komórki prowadzi do zwiększenia przepuszczalności błony komórkowej.
Czytaj też: Pamiętliwe zabójczynie. Komórki NK nowej generacji mogą zrewolucjonizować leczenie nowotworów
To jednak nie wszystko. Okazuje się, że nie sam poziom ciśnienia osmotycznego, ale rozmiar i stężenie użytych polimerów mają kluczowe znaczenie dla efektywności procesu.
Dr Aneta Magiera wyjaśniła:
Cell-IN możemy porównać do samolotu, który transportuje pasażerów np. z Polski do Stanów Zjednoczonych szybko, prosto i bezpiecznie. Pasażerowie to cząsteczki, które chcemy do komórki wprowadzić. Samolot to Cell-IN. Komórka to Stany Zjednoczone, a ta tarcza, o której mówiłam wcześniej, to granica Stanów Zjednoczonych.
Przez długi czas uważano, że o skuteczności dostarczania cząsteczek do wnętrza komórek decyduje przede wszystkim wartość ciśnienia osmotycznego. Jednak badania zespołu z Instytutu Chemii Fizycznej PAN podważają to uproszczone podejście. Okazuje się, że kluczową rolę odgrywa stopień splątania łańcuchów polimerowych w roztworze. Im większe i bardziej splątane są te struktury, tym silniej oddziałują na błonę komórkową, prowadząc do jej chwilowego rozszczelnienia i umożliwiając wnikanie dużych cząsteczek do wnętrza komórki.
W eksperymentach uczeni przebadali 8 linii komórkowych (prawidłowych i nowotworowych) i 15 cząsteczek o zróżnicowanej wielkości – od małych białek aż po duże plazmidy DNA o średnicy nawet 200 nanometrów. Cell-IN skutecznie wprowadzał je do wnętrza komórek bez widocznego wpływu na ich żywotność czy zdolność do podziału. Szczególnie imponujące wyniki osiągnięto w przypadku linii komórkowej MDA-MB-231 – trudnej do transfekcji linii nowotworowej raka piersi.
Zespół z ICHF PAN zwraca uwagę, że w bioinżynierii często pomija się fizyczne właściwości reagentów. Tymczasem właśnie takie podejście pozwoliło im osiągnąć przełom. Cell-IN to preparat złożony z specjalnie dobranych polimerów o kontrolowanej masie cząsteczkowej i właściwościach hydrodynamicznych, które po rozpuszczeniu w wodzie tworzą silnie splątany, ale jednorodny układ zdolny do oddziaływania z błoną komórkową na poziomie molekularnym.
Zespół przetestował także zdolność Cell-IN do dostarczania barwników fluorescencyjnych, które pozwalają śledzić procesy biologiczne w czasie rzeczywistym. Dzięki temu możliwe jest nie tylko dostarczanie leków, ale również precyzyjne obrazowanie zachowań komórek na poziomie pojedynczych organelli. Co ważne, żywotność komórek po procedurze Cell-IN po 4 dniach, utrzymywała się na poziomie 80 proc.
Co może nam dać Cell-IN?
Cell-IN już teraz znajduje zastosowanie w badaniach nad terapiami genowymi, modyfikacjami komórek macierzystych i nanoszeniem bioaktywnych cząsteczek na powierzchnie biomateriałów. Ale zespół z ICHF PAN poszedł o krok dalej – chce udostępnić tę technologię szerszej społeczności naukowej i przemysłowej.
Produkt został już skomercjalizowany i dostępny jest dla ośrodków badawczych. Dzięki swojej prostocie – nie wymaga żadnych urządzeń, specjalnych warunków czy skomplikowanego protokołu – może trafić nie tylko do laboratoriów akademickich, ale i start-upów medycznych oraz laboratoriów diagnostycznych. Powstał w odpowiedzi na potrzeby naukowców z IChF, a teraz może pomagać badaczom z całego świata.
W dłuższej perspektywie technologia Cell-IN może znaleźć zastosowanie także w bezpośredniej terapii pacjentów. O ile obecnie jest używana głównie do badań in vitro, przyszłość może przynieść rozwój biokompatybilnych form preparatu, które pozwolą np. na lokalne dostarczanie leków przez skórę, błony śluzowe lub implanty medyczne. To także potencjalny przełom w dziedzinie inżynierii tkankowej, gdzie potrzebne jest precyzyjne dostarczanie sygnałów molekularnych do komórek tworzących sztuczne narządy.
Focus o Zdrowiu objął patronat nad Kongresem „Nauka dla społeczeństwa” .
