ВЫПУСК 87

Новый комплекс из углеродных нанотрубок способен обнаружить одну молекулу вещества

Инженеры-химики из Массачусетского института технологий (Massachusetts Institute of Technology, MIT) впервые создали сенсорный комплекс, способный обнаружить выделение одной молекулы перекиси водорода отдельной живой клеткой.

Долгое время считалось, что перекись водорода повреждает клетки и их ДНК, но недавно ученые получили данные, указывающие на более полезные ее функции: оказывается, она является сигнальной молекулой одного из важнейших клеточных сигнальных путей, стимулирующего, наряду с другими функциями, рост клетки.

«Когда нормальная работа этого сигнального пути нарушается, клетки могут стать раковыми. Таким образом, понимание роли перекиси водорода может привести к появлению новой мишени для создания противораковых препаратов», - говорит Майкл Страно (Michael Strano), руководитель исследовательской группы. Страно и его коллеги описали свой новый сенсорный комплекс из углеродных нанотрубок в он-лайн издании журнала Nature Nanotechnology.

Ученые использовали свой прибор для изучения потока перекиси водорода, возникающего, когда обычный фактор роста, известный как EGF (эпидермальный фактор роста), активирует свою мишень – рецептор эпидермального фактора роста (EGFR), находящийся на поверхности клетки. Впервые исследователям удалось показать, что, если рецептор EGFR находится в активном состоянии, уровень перекиси водорода увеличивается более чем вдвое.

Эпидермальный и другие факторы роста вызывают рост клеток или их деление благодаря сложному каскаду реакций, протекающих внутри клетки. Пока не совсем ясно, какое влияние на этот процесс оказывает перекись водорода, но Страно предполагает, что она может каким-то образом усиливать сигнал рецептора EGFR , то есть его сообщение для клетки. Так как перекись водорода – маленькая молекула, не более 200 нанометров, передача сигнала будет ограничена той клеткой, где он возник.

Исследователи также обнаружили, что в клетках рака кожи, где наблюдается очень высокая активность рецепторов EGFR, выход перекиси водорода в 10 раз больше, чем в обычных клетках. Страно считает, что такая драматическая разница может послужить основанием для использования его технологии при разработке диагностических приборов для некоторых форм рака.

«Представить себе, например, небольшое портативное устройство, которое ваш врач может настроить на определенные ткани, обследовать их минимально инвазивным методом и сказать, поврежден ли в клетках данный сигнальный путь», - комментирует он.

Страно подчеркивает, что это первый случай демонстрации сенсорного комплекса, специфически настроенного на одну молекулу. Он и его коллеги математически рассчитали, что такой прибор может различать образование молекул, находящихся «в ближнем поле», от их образования вдалеке от поверхности сенсора. «Приборы такого типа обладают способностью распознавать, например, выделились ли отдельные молекулы из фермента, находящегося на поверхности клетки, или они образовались глубоко в ее недрах», - утверждает Страно.

Датчик представляет собой пленку из однослойных углеродных нанотрубок, помещенную в коллаген. Клетки могут расти на поверхности коллагена, и тот же коллаген притягивает и ловит перекись водорода, выделяемую ими. Когда нанотрубки вступают в контакт с «пойманными» молекулами перекиси, наблюдаются флуоресцентные вспышки. Подсчитав количество вспышек, можно определить точное число молекул перекиси водорода.

Чтобы лучше понять процесс выделения перекиси водорода и ее роль в клеточных сигнальных системах, ученые планируют изучить различные виды рецепторов эпидермального фактора роста. Они уже обнаружили, что на образование перекиси расходуются молекулы кислорода.

Группа Страно продолжает работу над созданием сенсоров на углеродных нанотрубках для других молекул. Они уже успешно испытали датчики для оксида азота и АТФ. «Список биомолекул, которые мы теперь можем обнаруживать с высокой степенью специфичности и селективности, быстро растет», - говорит Страно. При этом он подчеркивает, что способность обнаруживать и подсчитывать отдельные молекулы выгодно отличает углеродные нанотрубки от многих других наносенсорных разработок.

По материалам Massachusetts Institute of Technology.

Оригинал статьи

Carbon nanotube sensor array detects single molecules for the first time

Будущее нанотехнологий в косметологии и дерматологии

Быстрое развитие нанотехнологий и их будущее применение в косметической продукции не только имеют большой потенциал, но и несут определенные проблемы для потребителей. В настоящее время основные производители косметики ввели добровольный запрет на использование наночастиц в своей продукции до получения разрешения от Food and Drug Administration (FDA), изучающей безопасность новой технологии. Однако эти производители знают, что когда ингредиенты в солнцезащитных или антивозрастных средствах превращены в наноразмерные частицы, конечные продукты проявляют уникальные свойства, улучшающие состояние кожи в такой степени, в какой этого невозможно достичь при применении частиц большего размера.

Выступая на 68-ом ежегодном собрании Американской академии дерматологии (American Academy of Dermatology), дерматолог Аднан Назир (Adnan Nasir), доктор медицинских наук, доцент отделения дерматологии Университета Северной Каролины (University of North Carolina), представила обзор применения нанотехнологий и использования наночастиц в косметической продукции.

«За последние годы количество исследований в области нанотехнологии значительно возросло, и я думаю, что будет наблюдаться и дальнейший их рост», - говорит Назир. Проблема заключается в том, что еще не выработаны стандарты для оценки безопасности и эффективности продуктов, содержащих наноразмерные частицы».

Количество разработок и производство товаров, полученных на основе нанотехнологий, постоянно растут. Особенно это относится к производству одежды, где наноматериалы используются для получения немнущихся, грязеотталкивающих и водонепроницаемых тканей. Однако значительная доля патентов, полученных на разработки в области нанотехнологий, относится и к косметике и товарам по уходу за кожей. Косметическая промышленность лидирует по числу патентов в области использования наночастиц, способных улучшить солнцезащитные средства, шампуни и кондиционеры, губную помаду, тени для век, увлажнители, деодоранты, парфюмерию и многое другое.

Одним из примеров того, как наночастицы используются в косметических средствах, является устранение некоторых нежелательных свойств товаров по уходу за кожей. Доктор Назир объясняет, что, когда определенные ингредиенты включаются в микроразмерные частицы, которые значительно крупнее наночастиц, конечный продукт может получиться косметически непривлекательным.

Например, одним их широко используемых ингредиентов солнцезащитных кремов с широким спектром действия, защищающих кожу как от UVA, так и от UVB, является авобензон. Однако он делает солнцезащитный крем слишком жирным и заметным при нанесении на кожу. Другой распространенный компонент солнцезащитной косметики – титан - требует для растворения жирной среды и поэтому обладает тем же недостатком. Однако когда эти активные ингредиенты солнцезащитных средств применяются в виде наночастиц, они могут быть растворены в менее жирных растворителях, которые совершенно не видны на коже лица, сохраняя при этом свою способность блокировать UVA- и UVB-лучи.

«Хотя в настоящее время проводится оценка широкого использования нанотехнологий, я думаю, что основное преимущество наночастиц, используемых в солнцезащитных кремах, будет состоять в том, что содержащие их средства смогут попасть во все уголки и трещинки кожи, обеспечивая большую степень защиты и более равномерное распределение по поверхности лица, чем средства с микрочастицами», - говорит Назир. «Так как солнцезащитные средства с наночастицами более косметически привлекательны и мгновенно исчезают при нанесении, потребители, скорее всего, будут склонны к их использованию на постоянной основе».

Нанотехнологии также представляют значительный интерес в плане их применения в антивозрастных косметических средствах. В будущем при правильной разработке наноматериалы смогут доставлять в кожу ретиноиды, антиоксиданты, препараты, подобные ботоксу, факторы роста и тем самым способствовать ее омоложению.

В антивозрастной продукции нанотехнологии сделают возможной доставку в кожу таких веществ, которые обычно в нее не проникают. Примером может являться витамин С – антиоксидант, помогающий бороться с возрастными изменениями и лучше всего работающий в нижних слоях кожи. В своей природной форме витамин С нестабилен и с трудом проникает в кожу. Однако в будущем нанотехнологии могут повысить как его стабильность, так и способность достигать глубоких слоев дермы.

«Так как антивозрастные средства, содержащие наночастицы антиоксидантов, будут сложны в производстве, мы думаем, они будут дороже обычных косметических средств», - считает Назир. «Если такие средства будут безопасны, потребителю придется решать, стоят ли их преимущества дополнительных расходов».

Ученые также рассматривают способы применение наноматериалов для лечения меланомы. В экспериментах на животных особенно хорошо проявили себя наночастицы золота, называемые нанооболочками (nanoshells).

По словам доктора Назир, золотые нанооболочки разработаны таким образом, что могут поглощать световые волны определенной длины. Если длина волны точно соответствует определенному типу золотой нанооболочки, использованной для этой частицы, наночастица генерирует тепло. В одном из экспериментов на животных, проведенном в Онкологическом центре в Хьюстоне, ученые соединили такие нанооболочки с молекулой, специфичной для клеток меланомы. Когда нанооболочки вводятся мышам с опухолью, они накапливаются в раковой ткани. При облучении мышей светом с определенной длиной волны их опухоли, наполненные золотыми наночастицами, нагреваются и погибают. Окружающая ткань, в которой нет адресных наночастиц, остается неповрежденной.

«Нанотехнологии предоставляют широкие возможности для разработки новых неинвазивных методов лечения, особенно для таких дерматологических заболеваний, как атопический дерматит и ихтиоз», - считает доктор Назир.

Так как кожа является первой точкой контакта и первой линией защиты от вновь создаваемых наноматериалов, доктор Назир отмечает, что многие дерматологи обеспокоены потенциальными рисками для здоровья, связанными с нанотехнологиями. «Несмотря на то, что нанотехнологии – захватывающая сфера, имеющая огромный потенциал, мы с нетерпением ожидаем решения FDA о безопасности наночастиц, которое определит их будущую роль в качестве средств лечения раковых заболеваний кожи».

По материалам American Academy of Dermatology.

Оригинал статьи

How Nanosized Particles May Affect Skin Care Products

Вглубь живой материи

Немецкие ученые создали банк «отпечатков пальцев» генов

У клеток нет рта, но поступление веществ из окружающей среды им все равно необходимо. Нарушения в этом процессе – известном как эндоцитоз – могут привести к развитию инфекционных и сердечно-сосудистых заболеваний, раку, болезни Хартингтона и диабету. В сотрудничестве с Центром информационных служб и высокопроизводительных вычислений (Center for Information Services and High Performance Computing - ZIH) при Дрезденском технологическом университете (Dresden University of Technology) ученые из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка (Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics) применили новую стратегию для идентификации и описания генов, участвующих в процессе эндоцитоза.

Для изучения воздействия большого числа генов ученые использовали микроскопию высокого разрешения и количественный анализ изображений. Из результатов своих исследований они надеются получить важную информацию о том, как в будущем можно будет предотвращать инфекции и лечить болезни (он-лайн издание Nature, 28.02.2010).

Клетки получают вещества из окружающей среды с помощью мембранных везикул, или пузырьков. Такие везикулы доставляют вещества к различным клеточным органеллам. В зависимости от того, что они содержат, везикулы и органеллы, называемые в данном случае эндосомами, транспортируются к различным частям клетки, где содержащиеся в них вещества либо перераспределяются, либо разбиваются на составные части для получения основных строительных блоков. Эндосомы организованы в сложные транспортные системы, которые обеспечивают правильную транспортировку широкого круга веществ к надлежащему внутриклеточному пункту назначения. Однако точные детали того, как, например, сигнальные молекулы передают информацию от клеточной мембраны к ядру, по-прежнему практически неизвестны.

Новая исследовательская стратегия предоставила ученым возможность достичь недостижимой прежде степени понимания чрезвычайно сложных процессов, протекающих в клетке. Например, изучая полученные изображения, они обнаружили, что неадекватное функционирование некоторых генов приводит к задержке везикул на периферии клетки вместо транспортировки их к центру. Более того, различные вещества, такие как питательные соединения и факторы роста, по-видимому, сопровождаются к месту их назначения различными наборами генов, и эндоцитоз контролируется различными сигнальными путями. В то же время клетки используют эндоцитоз для тщательного регулирования количества сигнальных молекул на своей мембране и в эндосомах – эндоцитоз и сигнальные пути, таким образом, оказывают влияние друг на друга. В целом на процесс эндоцитоза прямо или косвенно воздействуют более 4000 генов. «Наши открытия продемонстрировали, что клетки не просто поглощают любые вещества, обрабатывая их далее одним и тем же образом. Напротив, они имеют очень точное представление о том, что им нужно, когда, в каком количестве и куда определенное вещество должно поступить», - говорит Марино Зериал (Marino Zerial) директор Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка.

Огромное количество задействованных в этом процессе генов отражает значимость эндоцитоза как для клетки, так и для всего организма. Например, обеспечение сигналами важных метаболических регуляторов, таких как инсулин, зависит от эндоцитоза. Но вирусы и другие патогены также используют эндосомы для инфицирования клетки. Иммунные клетки, со своей стороны, «проглатывают» патогены и переваривают их внутри эндосом. Это означает, что однажды станет возможным предотвращать опасные инфекционные болезни избирательным подавлением эндоцитоза вирусов и бактерий или более эффективным разрушением патогенов к эндосомах. Даже такие заболевания как болезни Альцгеймера и Хартингтона связаны с повреждением транспортных систем клетки, а это препятствует проведению жизненно важных для нервной клетки сигналов. Следовательно, если роль различных генов в процессе эндоцитоза будет известна, в будущем будет легче разработать методы лечения этих заболеваний.

Благодаря разработанной в Дрездене технологии сделать это теперь будет значительно легче. Ученым Института Макса Планка удалось определить роль генов в эндоцитозе с беспрецедентной точностью. Чтобы достичь такой точности, они провели количественный анализ полученных с помощью микроскопа изображений на базе десятков различных параметров и определили конкретную функцию в процессе эндоцитоза для каждого гена. «Мы просканировали и составили карту активности всех генов человека. В результате мы смогли составить количественные характеристики каждого гена, создав, если можно так сказать, картотеку «отпечатков пальцев» всех генов. Это дает нам более полное понимание, как различные процессы интегрированы в клетке в единое целое. Такой подход можно применять ко многим совершенно различным клеточным механизмам. Благодаря пониманию всех процессов и различных взаимодействий мы твердо стоим на пути создания «виртуальной клетки», - объясняет Марино Зериал.

Такие достижения стали возможными благодаря использованию многих технологий. Дрезденские ученые заблокировали каждый из 23000 экспрессирующихся генов человека один за другим молекулой малой интерферирующей РНК (siRNAs), что вызвало выключение соответствующего гена. Затем они использовали флуоресцентное окрашивание, чтобы пометить два белка, которые поглощали исследуемые клетки – это сделало их видимыми для автоматизированной микроскопии высокого разрешения и анализирующего изображения программного обеспечения. Вместо субъективного анализа микроскопических изображений на основе качественных критериев ученые определили 62 различных параметра и все видимые эндосомы (мультипараметрический анализ изображения). Эти критерии помогли им оценить, как заблокированный ген влияет на эндоцитоз. Под микроскопом они смогли наблюдать, как менялось поглощение вещества клеткой, если был инактивирован тот или иной ген.

«Мы разработали новую стратегию, объединяющую многие компоненты в одну большую аналитическую систему: геномный RNAi-скрининг, автоматизированную микроскопию высокого разрешения, мультипараметрический анализ изображений – и мощь вычислительной техники», - сообщает Зериал. В конце концов, ученые накопили более двух с половиной миллионов изображений, которые необходимо было проанализировать. Этот огромный объем данных можно было обработать только с помощью суперкомпьютера, что стало возможным благодаря кооперации с Центром информационных служб и высокопроизводительных вычислений. Чтобы получить статистически достоверные данные, обычному компьютеру для анализа такого количества изображений потребовалось бы более четырех миллионов часов. «Но невероятный «подвиг» принес больше, чем просто новые значительные открытия. Он оказался необходимой отправной точкой для более эффективного и недорогого использования нашей технологии в будущем», - говорит Зериал.

Следующим шагом будет испытание успешной программы скрининга на модельных организмах, имитирующих условия развития болезней человека. Именно в этом случае истинный потенциал всей системы может проявиться в полной мере. Иван К. Бейнс (Ivan C. Baines) из Института Макса Планка определяет будущее проекта так: «Если мы сможем отличить токсичность препарата как отдельную активность от его лекарственного эффекта, как это предполагается согласно нашему количественному подходу, мы сможем разрабатывать более качественные лекарства с меньшими побочными эффектами».

Подробная информация: Systems survey of endocytosis by multiparametric image analysis, Nature, 28 February 2010, Advance Online Publication (AOP); doi:10.1038/nature08779.

По материалам Обществом Макса Планка.

Оригинал статьи

A Fingerprint for Genes: Scientists Develop New Strategy to Play Major Role in Research on Human Diseases

В лабораториях ученых

Отсутствие только одного фермента привело к значительному улучшению метаболизма

Когда ученые получили мышей, у которых не было фермента, разрушающего и высвобождающего запасы триглицеридов (более точно – триацилглицеролов), они ожидали увидеть животных с улучшенным липидным профилем. Но согласно сообщению в журнале Cell Metabolism, издании Cell Press, результат превзошел их ожидания. Мыши с отсутствием фермента триацилглицерол-гидролазы (TGH) продемонстрировали значительное улучшение метаболизма.

«Это удивительное и неожиданное открытие», - говорит Ричард Ленер (Richard Lehner) из Университета Алберты (University of Alberta). «Инактивировав ген, мы наблюдали не только понижение уровня липопротеинов низкой плотности, но и глобальное влияние на метаболизм жировой ткани. Клетки, секретирующие инсулин, стали меньше, так как им не нужно было производить столько же инсулина, сколько раньше. Мыши стали более чувствительны к инсулину». Животные ели больше, но они также проявляли большую физическую активность и расходовали больше энергии, и поэтому их вес не менялся».

«Липопротеины очень низкой плотности – одна из форм «плохого» холестерина», - объясняет Ленер. В норме фермент триацилглицерол-гидролаза высвобождает триглицериды из запасов в печени для сборки липопротеинов очень низкой плотности. Поэтому можно было ожидать, что потеря фермента будет иметь отрицательные последствия для печени, так как триглицериды накапливались бы в ней. Действительно, подобные эксперименты с другими ферментами подтверждали такой эффект.

«Здесь мы не наблюдали ничего подобного», - говорит Ленер. «Вместо того чтобы накапливаться в печени, триглицериды были окислены». Другими словами, они сжигались. Состояние печени компенсировалось также синтезом меньшего количества жиров.

Исследование демонстрирует потенциал триацилглицерол-гидролазы как терапевтической мишени для понижения уровня липидов в крови с возможными далеко идущими полезными побочными для организма эффектами. Заслуживает особого упоминания то, что фармацевтические компании уже имеют блокаторы триацилглицерол-гидролазы. Ранее группа Ленера фактически уже показала, что препараты, блокирующие триацилглицерол-гидролазу, могут снизить секрецию липопротеинов очень низкой плотности из клеток печени. Но не было понятно, действительно ли препарат воздействует только на фермент. Новое открытие подтверждает, что одно только снижение активности фермента может привести к очень значительным положительным эффектам.

Однако впереди у ученых очень много работы. Они планируют изучить, что при потере фермента происходит с мышами, находящимися на диете с высоким содержанием жиров. Они также хотят выяснить, что происходит, если энзим отсутствует в какой-либо определенной ткани – например, жировой – а не во всем организме.

Кроме того, нужна особая осторожность, чтобы химический ингибитор выбирал своей мишенью только TGH, а не другие ферменты того же семейства. В большинстве случаев ученые не знают, какие функции выполняют эти другие ферменты, и, по крайней мере, до того, как это станет известно, ключевое значение будет иметь специфичность ингибитора.

«Мы разгадали только небольшую часть головоломки», - говорит Ленер, подчеркивая при этом необходимость соблюдения осторожности. «Станет ли это волшебной палочкой? Нам еще очень многое нужно узнать…».

По материалам Cell Press.

Оригинал статьи

With Just One Enzyme Missing, Mice Show 'Global' Metabolic Improvements