ВЫПУСК 102

Лучше меньше да лучше! Нанопластырь в 100 раз эффективнее шприцев и игл

Новое исследование, проведенное под руководством профессора Марка Кендалла (Mark Kendall) из Австралийского института биоинженерии и нанотехнологии (Australian Institute for Bioengineering and Nanotechnology) Университета Квинсленда (University of Queensland), показывает, что вакцина, попадающая в организм с помощью нанопластыря, вызывает такой же защитный иммунный ответ, как и вводимая обыкновенным шприцем и иглой. Но необходимое для равноценного ответа количество самой вакцины уменьшается при подобном введении в 100 раз.

Это открытие имеет большое значение для многих программ вакцинации как в индустриально развитых, так и в развивающихся странах, сталкивающихся с нехваткой вакцин и проблемами с их распределением.

Будучи безболезненным, нанопластырь дает надежду людям, испытывающим фобии к иглам и боли, а также облегчает вакцинацию маленьких детей.

«Действие нанопластыря направлено на специфические антигенпрезентирующие клетки, находящиеся в тонком слое непосредственно под поверхностью кожи. В результате, чтобы получить сопоставимый иммунный ответ, нам достаточно одной сотой части дозы, используемой при обычном введении», - объясняет профессор Кендалл.

«Наши результаты в десять раз лучше, чем самые лучшие результаты, достигнутые при других методах вакцинации. При этом нам не нужны иммуностимуляторы, называемые адъювантами, или повторные прививки. Так как для проведения процедуры не требуется ни квалифицированного медработника, ни холодильников для хранения, появляется прекрасная возможность значительно удешевить вакцины для развивающихся стран», - говорит он.

Нанопластырь имеет гораздо меньший размер, чем почтовая марка, и состоит из нескольких тысяч плотно упакованных выступов, невидимых для человеческого глаза.

На эти выступы наносятся наночастицы, содержащие сухую противогриппозную вакцину, и нанопластырь приклеивается на кожу мыши на две минуты. «Используя гораздо меньше вакцины, мы сможем привить намного больше людей», - надеется профессор Кендалл.

Производство нанопластыря обходится дешевле, чем шприцев и игл, поэтому легко можно представить ситуацию, при которой правительство в состоянии обеспечить вакцинацию в условиях пандемии, такой как свиной грипп, используя аптечные запасы или даже получив вакцину по почте.

«Это захватывающее открытие, и нашим следующим шагом будет доказательство эффективности нанопластыря во время клинических испытаний», - говорит Кендалл.

По материалам

Less is more! Nanopatch is 100 times better than needle and syringe

Нановолокна переносят токсические пептиды в раковые клетки

Ученым давно известно, что определенные пептиды способны убивать клетки, попадая в клеточные мембраны и нарушая их нормальную структуру и функции. Исследователи из Северо-Западного университета (Northwestern University) научились доставлять такие цитотоксические пептиды в опухолевые клетки, используя самоорганизующиеся нановолокна. Нановолокна «проскальзывают» в опухолевые клетки, перенося на себе цитотоксический пептид и давая ему возможность делать там свое дело.

Группа исследователей, руководимая Сэмюэлем Стаппом (Samuel Stupp) и Винсентом Кринсом (Vincent Cryns), опубликовала свою работу в журнале Cancer Research. Доктор Стапп является научным сотрудником Центра наноматериалов для диагностики и терапии рака (Nanomaterials Cancer Diagnostic and Therapeutic Center).

Для создания своих нановолокон ученые сначала синтезировали пептидные молекулы, называемые амфифилами. Амфифильные пептиды имеют свойство собираться в листовидные структуры, имеющие гидрофильную и гидрофобную части. При смешивании в растворе они самоорганизуются в длинные биологически активные волокна цилиндрической формы толщиной в несколько нанометров. После самосборки нановолокна на его поверхности представлен биологически активный пептид. Прикрепляясь к амфифильному пептиду, цитотоксические пептиды интегрируются в наноструктуру, завершая построение поверхности волокна.

Такая конструкция легко попадает в клетки рака молочной железы, в то время как в одиночку цитотоксичный пептид на это не способен. Наноструктуры также вызывают смерть клеток рака груди, в то время как цитотоксичный пептид, не связанный с ними, не приводит к таким результатам.

Неожиданным открытием явилось то, что наноструктуры более эффективно вызывали смерть клеток опухоли молочной железы, а не ее здоровых клеток. Это может означать, что сами волокна проявляют некоторую избирательность по отношению к раковым клеткам.

Аннотацию к статье "Induction of Cancer Cell Death by Self-assembling Nanostructures Incorporating a Cytotoxic Peptide," можно прочитать на веб-сайте журнала.

По материалам

Nanofibers Carry Toxic Peptides Into Cancer Cells

В лабораториях ученых

Найдена перспективная молекулярная мишень для лечения болезни Альцгеймера

Ученые из Университета Иллинойса (University of Illinois) идентифицировали потенциальную мишень для лечения болезни Альцгеймера – рецептор, встроенный в мембрану нейронов и других клеток.

Фрагмент белка, связанного с болезнью Альцгеймера, активирует рецептор, вызывая повышенную активность поврежденных нейронов и приводя в конечном итоге к смерти клетки. Новые данные опубликованы в журнале FASEB Journal.

Уже не одно десятилетие ученые знают о том, что белок, называемый бэта-амилоидом, является ключом к разгадке болезни Альцгеймера. Сам Алоис Альцгеймер первым обнаружил скопления этого специфического вещества в мозге больных деменцией после их смерти. Эти белковые узелки, или бляшки, почти полностью состоят из бэта-амилоида и до сих пор используются для посмертной постановки диагноза болезни Альцгеймера.

Для животных с амилоидными бляшками в мозге свойственно снижение его функций, характерное для болезни Альцгеймера. В недавних исследованиях было выявлено, что ближайшие к таким бляшкам нейроны имеют тенденцию к гипервозбуждению по отношению к нормальным нервным клеткам. В то же время функция окружающих нейронов подавлена, что указывает на дисбаланс в активности мозга, связанный с амилоидными бляшками.

В других исследованиях было установлено, что собранные вместе два или несколько фрагментов бэта-амилоида каким-то образом стимулируют рецептор, называемый AMPA. Когда бэта-амилоид связывается с нейроном, рецептор AMPA открывает канал, пропускающий в клетку ионы кальция и натрия.

Обычно рецептор AMPA открывает канал только тогда, когда он связывается с глютамином, мощным нейромедиатором, важным для таких функций мозга как память и обучение. В любом случае быстрый поток ионов вызывает нервный импульс.

На сегодняшний день ученые не смогли определить механизм, с помощью которого бэта-амилоид заставляет рецептор AMPA открывать канал.

«Если мышь подвергается воздействию бэта-амилоида, функции ее нейронов ослабевают, вызывая дефицит памяти и изменение поведенческих реакций», - говорит Кевин (Янь) Сянь (Kevin (Yang) Xiang), профессор молекулярной и интегративной физиологии Университета Иллинойса. «Вопрос заключается в том, как этот пептид вызывает все эти пагубные клеточные нарушения».

В новом исследовании ученые сфокусировали свое внимание на бэта-2 адренэргическом рецепторе, белке, который – так же как и рецептор AMPA – находится в клеточной мембране. Обычно бэта-2 адренэргический рецептор активируется нейромедиаторами и гормонами, но ученые выяснили, что он способен активироваться и бэта-амилоидом, что вызывает каскад событий в нейроне. Одним из последствий такого взаимодействия является активация ионных каналов рецептора AMPA. (У мышей с отсутствием бэта-2 адренэргического рецептора бэта-амилоид не оказывал никакого заметного влияния на рецепторы AMPA).

«Мы показали, что, чтобы усилить вызываемый AMPA ответ, нужно присутствие бэта-2 адренэргических рецепторов», - объясняет профессор Университета Иллинойса Чарльз Кокс (Charles Cox).

Дальнейшие эксперименты показали, что бэта-амилоид действительно взаимодействует с бэта-2 адренэргическими рецепторами.

В предыдущих исследованиях было установлено, что блокирование рецептора AMPA может ослабить физиологические «осечки», вызванные амилоидными бляшками в мозге. Но рецептор AMPA, реагирующий на глютамат, важен для обучения и памяти, поэтому его блокирование может принести и вред.

«Глютамат является настолько распространенным нейромедиатором мозга, что его нельзя просто заблокировать, так как это может привести к появлению побочных эффектов», - говорит Кокс. «Когда вы блокируете рецептор AMPA, вы глобально понижаете возбудимость нейронов во всем головном мозге. У нас теперь есть немного более подходящая зацепка, а именно бэта-2 адренэргический рецептор».

Иллюстрация бэта-2 адренэргического рецептора

Этот рецептор представляет собой привлекательную альтернативную мишень для связывания потому, что бэта-амилоид взаимодействует с другой частью рецептора, чем та, которая обычно занимается нейромедиаторами и гормонами. Это означает, что можно остановить связывание бэта-амилоида с рецептором без ущерба для других функций бэта-2 адренэргического рецептора.

Предыдущие исследования показали, что при болезни Альцгеймера пациенты, принимавшие бэта-блокаторы, проявляли тенденцию к медленному спаду психических функций. Эти препараты предназначены для лечения гипертонии и других заболеваний путем связывания с бэта-адренэргическими рецепторами, включая бэта-2. Это открытие дает дополнительную поддержку идее о том, что бэта-2 адренэргические рецепторы являются ключом к негативным воздействиям, обусловленным болезнью Альцгеймера.

Сянь и Кокс подчеркивают, что бэта-2 адренэргический рецептор почти наверняка не единственный ключевой игрок в нанесении вреда повреждаемому при болезни Альцгеймера мозгу. Но они рассматривают его в качестве перспективной новой молекулярной мишени для поиска лекарственного препарата.

Аннотация к статье «Binding of amyloid   peptide to  2 adrenergic receptor induces PKA-dependent AMPA receptor hyperactivity»

Оригинал статьи

Team finds promising new drug target for Alzheimer's disease

Ученые определили кристаллическую структура белка, общего для всего живого

Впервые ученые из Корнелла определили структуру белка, относящегося к специальным ферментам, важным для нормального функционирования всех форм жизни – от дрожжей до человека.

Ферменты, относящиеся к семейству Sac, задействованы в клеточной сигнализации и мембранном транспорте. Ученые обнаружили, что если у животных удален ген, кодирующий фермент Sac, они умирают, а мутации связанных с ним генов человека приводят к развитию рака и наследственным нейродегенеративным заболеваниям Шарко-Мари-Тута типа 4J (CMT4J) и Луи Герига.

Ученые из Института клеточной и молекулярной биологии Вайля Корнеллского университета (Cornell's Weill Institute of Cell and Molecular Biology) впервые определили кристаллическую структуру белка Sac1 дрожжей. Дрожжи являются модельным организмом для всех клеток; большинство из 6000 генов дрожжей найдены у человека. Белок Sac1 дрожжей – прародитель всех родственных белков семейства Sac, найденных у растений и животных. Ученые сообщили о своем открытии в он-лайн версии журнала Journal of the European Molecular Biology Organization.

Кристаллическая структура белка Sac1 дрожжей

Понимание структуры белка Sac1 открывает путь к экспериментам, которые могут объяснить, как эти фундаментальные ферменты взаимодействуют с клеточными мембранами, делая возможными важнейшие клеточные процессы. Это в свою очередь может привести к разработке препаратов для лечения связанных с ними заболеваний.

«Этот фермент впервые был открыт в 1989 году, но никто не видел его атомной структуры», - говорит Юксин Мао (Yuxin Mao), доцент кафедры молекулярной биологии и генетики и один из авторов статьи. «Пытались многие, но структура белка определена впервые».

Сигнальные пути клеток, регулирующие деление, миграцию или транспорт веществ в клетку и из нее, часто активируются присоединением фосфатной группы к белку или липиду (фосфорилирование) и, соответственно, инактивируются удалением фосфата. Семейство ферментов Sac, изучаемых учеными из Корнелла, относится к липидным фосфатазам. Такие болезни как CMT4J and Луи Герига возникают тогда, когда Sac- фосфатазы не в состоянии правильно функционировать, что приводит к образованию группы фосфорилированных липидов.

Мао и его коллеги определили структуру Sac методом выращивания кристалла белка, что позволило ученым увидеть его атомную структуру с помощью рентгеноструктурного анализа. Для установления структуры белка Sac1 на атомном уровне с разрешением менее 2 ангстрем (две десятимиллионные доли миллиметра) лаборатория Мао использовала синхротрон Университета Корнелла.

«Определение структуры белка Sac дрожжей открывает путь к биохимическим исследованиям функций таких ферментов – это прорыв в данном направлении», - говорит Мао. «Проведенное исследование поможет нам в изучении других белков семейства Sac».

Оригинал статьи

Researchers reveal structure of enzyme necessary for life

Открыты гены регенерации головы и мозга червя планарии

Ученые из Университета Ноттингема (University of Nottingham) обнаружили ген, позволяющий необычному червю планарии регенерировать части своего организма после их ампутации – в том числе целую голову и мозг.

Эксперименты на черве планарии - часть научной головоломки, решение которой может однажды сделать регенерацию старых или поврежденных органов и тканей человеческого организма реальностью.

Исследование, руководимое доктором Азизом Абубакером (Aziz Aboobaker), научным сотрудником Школы биологии (School of Biology) Научно-исследовательского совета Великобритании (Research Councils UK), впервые показало, что ген Smed-prep имеет большое значение для правильной регенерации головы и мозга червей планарий. Исследование опубликовано в открытом к доступу журнале PLoS Genetics.

Черви планарии обладают удивительной способностью к регенерации частей тела, включая голову и мозг, после их ампутации. Стволовые клетки этих замечательных существ постоянно делятся и могут стать любой из отсутствующих клеток организма. У них также есть набор генов, отвечающих за то, чтобы это происходило именно так, как надо. В результате регенерированные части их тела оказываются на нужном месте и имеют правильные размеры, форму и ориентацию.

Доктор Абубакер говорит: «Эти удивительные черви предоставляют нам возможность наблюдать регенерацию тканей на примере очень маленького животного, обладающего замечательной способностью к самовосстановлению и делающего это как само собой разумеющееся.

Мы хотим понять, как взрослые стволовые клетки могут совместно работать в каком-либо животном, образовывая и заменяя поврежденные или отсутствующие органы и ткани. Любые основополагающие достижения в понимании этого процесса, полученные на других животных, могут удивительно легко быть перенесены на человека.

Если мы узнаем, как ткани регенерируют в нормальных условиях, мы можем приступить к разработке правил замены поврежденных и больных органов, тканей и клеток осознанным и безопасным способом после их повреждения в результате травмы или болезни. Это было бы очень желательно для лечения, например, болезни Альцгеймера. Обладая такими знаниями, мы сможем оценивать последствия того, что произойдет, если в процессе нормального обновления стволовые клетки выберут неправильный путь – например, в системе клеток крови, где одна «недобросовестная» стволовая клетка может привести к развитию лейкемии».

Ген Smed-prep необходим для правильной дифференциации и локализации клеток, которые образуют голову червя. Он также важен для определения того, где голова будет располагаться на теле животного. Ученые обнаружили, что хотя присутствие гена Smed-prep жизненно важно для правильного расположения головы и мозга, стволовые клетки все же могут образовывать клетки мозга, подчиняясь и другим, не связанным с ним, генам. Но даже и при этом без гена Smed-prep такие клетки не могут правильно организовываться в процессе формирования нормального мозга.

Аспирант Дэниел Феликс (Daniel Felix), проводивший экспериментальную работу, говорит: «Понимание молекулярной основы реконструкции и регенерации имеет важнейшее значение для регенеративной медицины. Планарии известны своей огромной силой регенерации и способны восстановить голову после ее отделения. Изучив ген Smed-prep, мы охарактеризовали первый ген, необходимый для правильного дальнейшего развития и структурирования в процессе регенерации. Это был действительно интересный проект, и мне очень повезло, что он стал центральной темой моей диссертационной работы».

Видео

Оригинал статьи

Body builders - the worms that point the way to understanding tissue regeneration

Полная или частичная перепечатка любого материала разрешается и приветствуется при обязательной гиперссылке на рассылку «Нанотехнологии в медицине и биологии»