В ТПУ создают «ловушки» для клеток на основе новых покрытий из оксида графена
Ученый Томского политехнического университета Рауль Родригес и его коллеги из Германии и Литвы первыми в мире предложили, как с помощью оксида графена — по сути, обычного графита, как в карандашах, только окисленного — сделать поверхность любого материала пригодной для иммобилизации живых клеток. С помощью устройств с такими покрытиями можно будет обнаруживать и исследовать отдельные живые клетки, в том числе опасные микроорганизмы, раковые клетки и опасные вещества в организме человека. В будущем на основе этой технологии можно будет создавать гибкие диагностические устройства, вживляемые под кожу. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Sensors and Actuators B: Chemical.
Научная работа проводится учеными Томского политехнического университета, Университета Вильнюса, Центра физических технологий Вильнюса (Литва) и Технологического университета Хемница (Германия).
– Врачи до сих пор пытаются найти ответ на вопрос, почему клетки рака метастазируют. Изучение коммуникации клеток в процессе их образования – это, возможно, как раз и есть ответ на данный вопрос. Для этого нужно суметь отличить поведение клетки в «коллективе» от поведения изолированной клетки, – рассказывает профессор кафедры лазерной и световой техники ТПУ Рауль Родригес.
Технология, разработанная томскими политехниками и их коллегами, позволяет контролировать колонии клеток и отделять интересующие ученых клетки от всех остальных. Причем, она станет гораздо дешевле существующих аналогов.
– Сейчас для изучения отдельной клетки используют более дорогую технологию – так называемые оптические пинцеты, представляющие собой сложную установку, которая позволяет с помощью лазерного пучка выбирать, перемещать и анализировать отдельную клетку. Открытый нами метод не предполагает использования дополнительного оборудования – нужно лишь покрыть любую поверхность оксидом графена (соединения углерода с кислородсодержащими группами), – объясняет Рауль Родригес.
Он уточняет, что исследование коммуникации и взаимодействия клеток сейчас представляет важность для многих направлений в медицине. Та же технология может помочь в разработке биосенсоров.
Биосенсоры – это аналитические устройства, в которых чувствительный слой, содержащий биологический материал, реагирует на присутствие определяемого компонента и генерирует электрический сигнал, функционально связанный с наличием и концентрацией этого вещества. Биоматериалом могут служить ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК, а также клетки, которые иммобилизованы на физических датчиках. Сегодня биосенсоры уже применяются в области медицины, биотехнологий, пищевой промышленности и экологии.
– При создании биосенсоров существует та же проблема, что и при создании имплантатов, которые вживляют в организм человека. В имплантате взаимодействие клеток с его поверхностью определяется свойствами смачиваемости. Смачиваемая поверхность позволяет живым клеткам лучше закрепляться на биоимплантатах, размножаться и так далее. Поверхность биосенсора тоже должна быть хорошо смачиваемой для того, чтобы мы могли обеспечить присоединение клеток или бактерий к сенсору, — говорит профессор Родригес.
Понять, что такое смачиваемая — гидрофильная — поверхность, объясняет ученый, можно на примере простой воды. Когда капельки воды падают на поверхность материала и растекаются по ней, значит, взаимодействие между каплей и поверхностью высокое и материал гидрофильный. А если капельки воды собираются в шарики, то взаимодействие молекул воды между собой больше, чем с поверхностью, и это говорит нам о том, что материал гидрофобный.
– С помощью простой технологии с использованием оксида графена мы можем, по сути, любой материал сделать гидрофильным, а значит, пригодным для создания недорогих биосенсоров, — резюмирует профессор ТПУ.
В своей работе ученые продемонстрировали этот эффект на примере обычных дрожжевых клеток, осажденных на нескольких произвольных подложках из стекла, кремния и других материалов, покрытых оксидом графена. Результаты исследования показали, что клетки хорошо фиксируются на модифицированных подложках. Такие усовершенствованные поверхности приводили к появлению областей, где можно было наблюдать одиночные клетки. Образно говоря, клетки попадали в «ловушки» и не могли собраться вместе, как это обычно происходит на поверхности. Используя это свойство, можно было бы изучить, как клетка ведет себя в изолированном состоянии, и сравнить ее поведение с поведением в «обществе» других ее «сородичей».
Для производства биосенсора предполагается создавать электрические контакты на том же самом покрытии. В другой своей работе, при разработке медицинских «электронных татуировок», ученые рисуют на подложке, обработанной оксидом графена, некое подобие электросхемы. При воздействии лазером оксид графена превращается в проводящий материал — восстановленный оксид графена (rGO). А в дальнейшем с использованием оксида графена можно будет производить гибкую электронику, встраиваемую прямо под кожу пациента.
– Кто знает, возможно в будущем именно такая техника сможет прямо на дому диагностировать на ранних стадиях различные заболевания, — заключают ученые.
Фото: визуализация процесса сушки суспензий дрожжевых клеток, покрытых на поверхности модифицированными графеновыми подложками. Изображения были сделаны до (1-й ряд) и после (2-й и 3-й ряды) испарения воды.
Виталина МИХЕТКО.
