Международный коллектив ученых НИТУ «МИСиС», Имперского колледжа Лондона, университета Каназава (Япония), МГУ разработали нано-зонд для 3D картирования pH (уровня кислотности) живой клетки с пространственным разрешением 50 нанометров. Уникальный инструмент может применяться при глубинном исследовании и понимании механизма процессов метастазирования рака, течения язвенной болезни желудка, воспалительных явлений в организме человека и других биологических систем. Результаты работы представлены в международном научном журнале Nature Communications.
Жизнедеятельность клеток организма требует поддержания относительно постоянной нейтральной внеклеточной микросреды. Известно, что внеклеточное закисление, сдвиг уровня pH в кислую сторону, происходит в ходе воспалительных процессов и в условиях развития опухолей.
Более того, кислотная межклеточная среда может способствовать метастазированию опухоли и сама по себе стимулировать воспалительные реакции. Поэтому точное измерение уровня локального внеклеточного pH необходимо ученым для исследования механизмов развития патологий и поиска путей их решения.
Ученые разработали нано-зонд, который позволяет с пространственным разрешением до 50 нанометров и со скоростью до 2 милисекунд мониторить уровень pH живых клеток. Он не требует предварительного введения в ткань или клетку флуоресцентных меток, нетоксичен и безопасен для обследуемого организма. При этом его устройство представляет собой довольно сложный и тонкий механизм.
«Основной функциональный элемент прибора представляет собой нано-сенсор, который получен „сшиванием“ глюкозооксидазы и поли-1-лизина на кончике стеклянного нанокапилляра и в итоге образует рН-селективную наномембрану с чувствительностью выше 0,01 единиц. Этот сенсор способен к быстрому реагированию (до ~ 2 мс) и уникально высокому пространственному разрешению (~ 50 нм). Микроскопическая мембрана была интегрирована в двухканальный стеклянный нанозонд, объединяющий измерение pH с дистанционным контролем с обратной связью с помощью сканирующей ион-проводящей микроскопии», — рассказывает один из соавторов работы, сотрудник лаборатории «Сканирующей ион-проводящей микроскопии» под руководством профессора Корчева Ю.Е. в НИТУ «МИСиС» к.ф.-м.н Александр Ерофеев.
В результате исследователи получили технологию, на основе которой можно проводить одновременную 3D-топографию и мониторинг кислотности живых клеток, например, клеток раковой опухоли, слизистой желудка, клеток сердца и тд. На выходе можно получать трехмерное изображение участка живой ткани и даже отдельных клеток с показаниями локальных значений уровня кислотности среды.
Результаты научной работы могут иметь решающее значение для понимания роли pH в клеточной активности и, в свою очередь, его значения в диагностике и лечении рака, а также возникновения и течения многих воспалительных процессов.
