Słoń w ludzkiej komórce. Przełomowa metoda druku wewnątrz żywych organizmów
Ludzkie komórki to niezwykle ciasne i złożone środowiska. Każda z nich ma średnicę około 20 mikrometrów, czyli mniej więcej jedną piątą grubości ludzkiego włosa, a w środku upakowane są białka, organella i skomplikowana "maszyneria" molekularna. Umieszczenie w tak ograniczonej przestrzeni dodatkowych stałych struktur przez lata wydawało się niemal niemożliwe, ale naukowcy pokazali, że da się to zrobić i to z chirurgiczną precyzją.
Większość ludzkich komórek nie potrafi wchłaniać stałych obiektów większych niż około 1 mikrometr. Wyjątkiem są komórki układu odpornościowego, ale i one zamykają "połknięty" materiał w specjalnych pęcherzykach, odcinając go od cytoplazmy, co uniemożliwia swobodne oddziaływanie obcych struktur z wnętrzem komórki.
Istnieją co prawda metody takie jak mikroiniekcja czy chwilowe "rozszczelnianie" błony komórkowej, ale służą one głównie do dostarczania cząsteczek. Do tej pory nie pozwalały na umieszczenie w komórce wolnostojących trójwymiarowych obiektów o precyzyjnie kontrolowanym kształcie.
Druk 3D w środku żywej komórki
Zespół badaczy ze Słowenii zaprezentował rozwiązanie, które przesuwa granice bioinżynierii. W pracy opublikowanej w czasopiśmie Advanced Materials naukowcy pokazali, że można "drukować" polimerowe mikrostruktury bezpośrednio wewnątrz żywych ludzkich komórek. Kluczową rolę odgrywa tu technika zwana dwufotonową polimeryzacją, wykorzystująca ultrakrótkie impulsy laserowe.
Najpierw do wnętrza komórki wprowadzany jest materiał do druku. Za pomocą niezwykle cienkich szklanych igieł badacze wstrzykiwali do komórek HeLa mikroskopijne krople specjalnego fotopolimeru. Substancja została dobrana tak, aby była możliwie nietoksyczna, stabilna po utwardzeniu i zdolna do rozpuszczenia się, jeśli proces polimeryzacji nie zajdzie w pełni.
Laser rzeźbi obiekty w cytoplazmie
Po wprowadzeniu materiału krople o średnicy 10-15 mikrometrów były naświetlane przez mikroskop za pomocą ultraszybkiego lasera. Energia lasera powodowała utwardzenie polimeru wyłącznie w dokładnie określonym punkcie ogniskowania. Przesuwając ognisko warstwa po warstwie, naukowcy mogli "wyrzeźbić" w cytoplazmie dowolny trójwymiarowy kształt. Co istotne, cały proces odbywał się bez niszczenia struktury komórki. Otaczające organella pozostawały nienaruszone, a błona komórkowa zachowywała ciągłość.
Aby zademonstrować możliwości metody, badacze stworzyli wewnątrz komórek mikroskopijne obiekty o bardzo różnych formach. Wśród nich znalazł się słoń o wielkości około 10 mikrometrów, logotypy laboratoriów, puste w środku kulki oraz kratownicowe struktury przypominające rusztowania. Obrazowanie potwierdziło, że obiekty rzeczywiście znajdują się wewnątrz komórek. W niektórych przypadkach widać było nawet, jak jądro komórkowe zmienia kształt, by zrobić miejsce dla nowej struktury.
Tylko po co?
Eksperymenty pokazały, że wpływ druku na przeżywalność komórek jest porównywalna z innymi inwazyjnymi technikami. Po 24 godzinach około 55 proc. komórek z wydrukowanymi strukturami obumarło, co nie odbiega znacząco od wyników uzyskiwanych przy samej mikroiniekcji. Warto odnotować, że komórki, które przetrwały, zazwyczaj funkcjonowały normalnie, tj. zachowywały typowy kształt, dzieliły się, a w trakcie mitozy wydrukowane obiekty były przekazywane komórkom potomnym.
Zauważono jednak, że większe struktury (powyżej 5 mikrometrów) opóźniały podział komórki nawet o godzinę, co sugeruje subtelny wpływ na jej fizjologię. A po co w ogóle tak ingerować w komórki? Możliwość tworzenia precyzyjnych struktur bezpośrednio w cytoplazmie otwiera zupełnie nowe kierunki badań - takie obiekty mogą w przyszłości służyć do wywierania kontrolowanych sił mechanicznych, lokalnego pomiaru parametrów chemicznych, a nawet jako miniaturowe systemy dostarczania leków.
