Биоинженеры разработали неинвазивный метод управления клетками с помощью температуры
Исследователи из Университета Пенсильвании разработали инновационный метод управления клетками с помощью температуры. Этот подход может стать основой для новых типов клеточной терапии, в которых модифицированные клетки будут реагировать на естественные физиологические изменения, такие как повышение температуры тела. Работа команды Лукаша Бугая открывает перспективы более точного и безопасного лечения различных заболеваний, включая онкологию.
«Внутри сложных биологических систем постоянно происходят многочисленные процессы. Когда мы вводим модифицированные клетки в организм для выполнения определенных функций, например, поиска и уничтожения патогенов или опухолевых клеток, было бы идеально иметь возможность управлять ими, направлять их в нужное место в нужное время и контролировать их поведение», — объясняет Лукаш Бугай, биоинженер из Пенсильванского университета.
В своей новой работе лаборатория Лукаша Бугая представила инновационный инструмент, который позволяет удаленно и неинвазивно взаимодействовать с клетками, контролируя их активность после попадания в организм. Исследование, опубликованное в Nature Methods, описывает новый белок под названием Melt, который можно активировать с помощью температуры.
От оптогенетики к термогенетике: эволюция Melt
Биология уже давно использует методы управления клеточными процессами с помощью света — эта область называется оптогенетикой. Она позволила совершить революцию в науке, предоставив возможность включать и выключать определенные клеточные пути с высокой точностью. Однако у этой технологии есть значительный недостаток: свет плохо проникает через ткани, что делает ее малоэффективной для многих медицинских приложений.
«Нам был нужен более универсальный инструмент, способный воздействовать на клетки в глубине тканей», — поясняет Бугай. «Именно поэтому мы обратились к температуре. Тепло проникает гораздо глубже, чем видимый свет, и может использоваться для контроля клеточных процессов в самых разных условиях».
Прорывное открытие произошло неожиданно — в процессе изучения грибка Botrytis cinerea, известного своей способностью вызывать гниение ягод и винограда. Ученые обнаружили, что этот грибок производит белок BcLOV4, который изначально исследовали из-за его чувствительности к свету. Однако, когда лаборатория Бугая внедрила этот белок в линии человеческих клеток, случилось нечто неожиданное.
«Мы заметили, что белок реагирует не только на свет, но и на температуру», — рассказывает первый автор исследования, бывший аспирант лаборатории Бугая Уилл Бенман. «Это открытие нас поразило, потому что существует множество белков, реагирующих на свет, но очень мало белков, реагирующих на изменения температуры».
Это натолкнуло команду на мысль: возможно ли создать белок, который будет реагировать исключительно на тепло? И если да, то можно ли использовать его для управления поведением клеток без необходимости инвазивного вмешательства?
После множества экспериментов они модифицировали BcLOV4 и получили новый белок, который стал исключительно термочувствительным. Он получил название Melt — сокращение от Membrane Localization by Temperature (локализация мембран с помощью температуры).
«Мы отключили его светочувствительность и настроили температурную чувствительность так, чтобы он работал при температуре человеческого тела», — добавляет Паван Айенгар, бывший научный сотрудник лаборатории Бугая. «Теперь это своеобразный диммер: повышение температуры активирует белок, а понижение — деактивирует его».
Melt в действии: от регуляции клеточных путей до борьбы с раком
Объединив Melt с различными биологическими механизмами, команда смогла контролировать такие процессы, как клеточная сигнализация, расщепление пептидов и даже индуцированная гибель клеток. В одном из наиболее впечатляющих экспериментов ученые продемонстрировали, что простое местное охлаждение (по сути, «продвинутый пакет со льдом») может активировать механизм гибели опухолевых клеток без системных токсических эффектов, характерных для химиотерапии.
Но потенциал Melt не ограничивается только терапевтическими приложениями. Исследователи рассматривают его как мощный инструмент для фундаментальной науки, который может помочь в изучении сложных клеточных процессов в реальном времени.
«Это один из тех редких случаев, когда белок способен выполнять сразу несколько функций», — поясняет аспирант лаборатории Бугая и соавтор исследования Цзыкан (Деннис) Хуан. «Он может реагировать на свет, чувствовать температуру, перемещаться к мембране, а также участвовать в других молекулярных процессах. В большинстве случаев природные белки выполняют только одну функцию, а здесь мы имеем уникальный многофункциональный инструмент. Когда мы полностью разберемся в его механизме работы, у нас появится возможность создавать новые белки с аналогичными интегрированными функциями».
Перспективы: Melt и будущее клеточной терапии
В краткосрочной перспективе Melt может сыграть ключевую роль в разработке более эффективных и менее токсичных методов лечения рака, а также в персонализированной медицине. Возможность управлять клетками с помощью температуры открывает путь к инновационным стратегиям терапии, позволяя активировать нужные процессы только в необходимых зонах организма.
«Эта работа стала возможной благодаря финансированию со стороны федерального правительства, а также поддержке Центра точной инженерии для здравоохранения в Пенсильвании», — подчеркивает Бугай. «На основе наших ранних результатов мы недавно получили крупный грант NIH для дальнейшей разработки технологии и проверки ее эффективности в моделях рака».
В будущем Melt и аналогичные инструменты могут привести к созданию принципиально новых типов клеточной терапии, в которых клетки будут реагировать не только на искусственные сигналы, но и на естественные физиологические изменения, такие как повышение температуры тела при лихорадке или воспалительных процессах. Это откроет новые горизонты в медицине, позволяя внедрять еще более точные, адаптивные и безопасные методы лечения различных заболеваний.
