С помощью света можно управлять клетками, выращенными на подложке из графена
Прозрачная личинка данио рерио – излюбленный модельный объект биологов
Графен – «двумерный» кристаллический углеродный материал толщиной всего в один атом, благодаря своим уникальным свойствам сегодня находит широкое применение в самых различных областях, от электроники до медицины. Недавно на основе этого революционного материала была разработана технология, позволяющая по световой «команде» изменять темп сокращения клеток сердечной мышцы
Электричество играет важнейшую роль в физиологии клетки, отвечая за ее возбудимость (способность отвечать на разнообразные раздражители), постоянство ионного состава и т.д. Влиять на электрическую активность клеток можно путем изменения мембранного потенциала, представляющего собой разницу между значениями электрического заряда на внутренней и внешней сторонах клеточной мембраны, – таким образом можно контролировать функции клеток и, как следствие, деятельность целого органа. Проблема лишь в том, как это сделать, не навредив организму. Ведь вживление электродов наносит серьезную травму, что не приветствуется в медицинской практике, а технология оптогенетической стимуляции требует внесения чужеродных генов, что пока недопустимо.
В поисках альтернативы международная группа исследователей под руководством специалистов из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) обратилась к графену. Ученые работали с человеческими кардиомиоцитами – клетками сердечной мышцы, полученными путем перепрограммирования из клеток кожного эпителия. Как известно, культуры клеток обычно выращивают в пластиковых чашках Петри или на стеклянных пластинах. Однако стекло и пластик – это изоляторы, и когда ученые попробовали выращивать кардиомициты на стеклянных пластинах, покрытых полупроводящим графеном, то оказалось, что в таких условиях они лучше растут, а их «поведение» становится ближе к естественному.
Но самое главное было впереди. Как известно, графен не только проводит электрический ток, но и способен преобразовывать в электричество падающий на него свет: фотоны, попадая на графен, способны выбивать из атомов углерода свободные электроны. Направляя на стеклянную пластину свет различной интенсивности, исследователям удалось воздействовать на электрическую активность кардиомиоцитов, заставляя их сокращаться быстрее или медленнее!
При этом графен оказался нетоксичным материалом, что подтвердили эксперименты на удобной модели – прозрачных эмбрионах рыбок данио рерио. По крайней мере, после инъекции раствора графена в трехдневные зародыши в течение 3 суток никаких негативных последствий не было обнаружено. А воздействуя светом, удалось ускорить биение развивающегося сердца эмбрионов.
Система «графен/свет» может быть использована для создания кардиостимуляторов, которые будут более безопасны и эффективны, чем существующие. Но все же наиболее востребована она будет, по-видимому, для разработки новых лекарств. Сегодня на начальных этапах такого поиска на клетках тестируются сотни тысяч различных химических соединений, но всегда есть риск пропустить потенциальное лекарство, если его эффект не может проявиться в стандартных условиях культивирования. Например, в культуре кардиомиоциты сокращаются в своем собственном темпе, но ведь во время сердечного приступа этот темп может быть совсем другим!
Эта идея подтвердилась в эксперименте при добавлении к культуре кардиомиоцитов антиаритмического препарата мексилетина, действующего только при повышении частоты сердечных сокращений. Подсвечивая клетки светом различной интенсивности, чтобы регулировать сокращения кардимиоцитов, ученые обнаружили, что чем быстрее они сокращались, тем лучше было заметно действие мексилетина.
В дальнейшем исследователи планируют применить систему «графен/свет» для поиска противоопухолевых препаратов, избирательно уничтожающих только раковые клетки, а также для поиска избирательно действующих обезболивающих препаратов опиоидного ряда, что помогло бы избежать привыкания.
И хотя работы в этом направлении предстоит еще много, ученые считают, что «овчинка стоит выделки», ведь день экспериментов на клетках, «живущих» на графене, может заменить полугодовое экспериментирование на лабораторных животных.
