Разработка ультразвуковых инструментов с использованием протеинов типа Lego

Новое исследование Калифорнийского технологического института показывает, как методы белковой инженерии могут помочь в достижении этой вехи. Исследователи разработали наноструктуры с белковой оболочкой, называемые газовыми пузырьками, которые отражают звуковые волны, чтобы продемонстрировать новые свойства, полезные для ультразвуковых технологий.

В будущем эти газовые пузырьки можно будет вводить пациенту для визуализации интересующих тканей. Было показано, что модифицированные газовые пузырьки: испускают более четкие сигналы, что упрощает их отображение; нацеливать определенные типы клеток; и помогают создавать цветные ультразвуковые изображения.«Это что-то вроде инженерии с молекулярным лего», — говорит доцент кафедры химической инженерии и главный исследователь наследия Михаил Шапиро, который является старшим автором новой статьи об исследовании, опубликованном в выпуске журнала ACS Nano за этот месяц и опубликованном в журнале. крышка.«Мы можем менять местами разные белковые« кусочки »на поверхности газовых везикул, чтобы изменить их свойства нацеливания и визуализировать несколько молекул в разных цветах».

«Сегодня ультразвук в основном анатомический», — говорит Анупама Лакшманан, аспирант лаборатории Шапиро и ведущий автор исследования. «Мы хотим снизить его до молекулярного и клеточного уровня».В 2014 году Шапиро впервые обнаружил потенциальное использование газовых пузырьков в ультразвуковой визуализации. Эти наполненные газом структуры естественным образом встречаются у обитающих в воде одноклеточных организмов, таких как Anabaena flos-aquae, вид цианобактерий, образующих нитчатые скопления многоклеточных цепочек.

Пузырьки газа помогают организмам контролировать, насколько они плавают, и, следовательно, подвергаются воздействию солнечного света на поверхности воды. Шапиро понял, что везикулы будут легко отражать звуковые волны во время ультразвуковой визуализации, и в конечном итоге продемонстрировал это на мышах.В последнем исследовании Шапиро и его команда решили придать газовым везикулам новые свойства, создав протеин С газовых везикул, или GvpC, белок, естественным образом находящийся на поверхности везикул, который придает им механическую прочность и предотвращает их коллапс. Белок может иметь разные размеры, при этом более длинные версии белка создают более сильные и жесткие наноструктуры.

«Белки подобны каркасным стержням фюзеляжа самолета. Вы используете их для определения механики конструкции». — говорит Шапиро.В одном эксперименте ученые удалили укрепляющий белок из газовых везикул, а затем вводили сконструированные везикулы мышам и выполнили ультразвуковое исследование. По сравнению с нормальными везикулами, модифицированные везикулы больше вибрировали в ответ на звуковые волны и, таким образом, резонировали с гармоническими частотами.

Гармоники возникают, когда звуковые волны подпрыгивают, например, на скрипке, и образуют новые волны с удвоенными и утроенными частотами. В естественных тканях не всегда возникают гармоники, из-за чего пузырьки выделяются на ультразвуковых изображениях.

В другом наборе экспериментов исследователи продемонстрировали, как можно заставить газовые пузырьки воздействовать на определенные ткани тела. Они генетически сконструировали везикулы для отображения различных клеточных мишеней, таких как аминокислотная последовательность, которая распознает белки, называемые интегринами, которые чрезмерно продуцируются в опухолевых клетках.

«Добавление этих функций к газовым пузырькам — это все равно что щелкнуть новую деталь Lego; это модульная система», — говорит Шапиро.Команда также показала, как можно создавать многоцветные ультразвуковые изображения. Обычные ультразвуковые изображения выглядят черно-белыми. Группа Шапиро разработала подход для визуализации трех разных типов газовых пузырьков в виде отдельных «цветов» на основе их разной способности сопротивляться схлопыванию под давлением.

Сами пузырьки не имеют разного цвета, но им можно присвоить цвет в зависимости от их различных свойств.Чтобы продемонстрировать это, команда сделала три разных версии везикул с разной силой белка GvpC.

Затем они увеличили ультразвуковое давление, заставляя различные популяции последовательно разрушаться одна за другой. По мере коллапса каждой популяции общий ультразвуковой сигнал уменьшался пропорционально количеству этого варианта в образце, и это изменение сигнала затем отображалось на определенный цвет.

В будущем, если каждая вариантная популяция будет нацелена на определенный тип клеток, исследователи смогут визуализировать клетки в нескольких цветах.«Вы можете увидеть опухолевые клетки в сравнении с иммунными клетками, атакующими опухоль, и, таким образом, отслеживать ход лечения», — говорит Шапиро.


Портал обо всем