Дж. Марк Мичем, доцент кафедры машиностроения материаловедение в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, возглавляет группу исследователей в Школе инженерии Прикладная наука разработала метод, позволяющий эффективно внедрять большие молекулы, такие как ДНК, РНК и белки, в клетки и продвигать их в ядро клетки.Комбинируя технику, известную как Acoustic Shear Poration (ASP) с электрофорезом, этот подход использует ультразвуковые волны и сфокусированную механическую силу для создания наноразмерных отверстий или пор в клеточной мембране, которые достаточно велики для того, чтобы большие макромолекулы или наночастицы могли пройти в клетку. интерьер.
Исследователи написали, что до сих пор ASP достиг более 75% эффективности доставки макромолекул. Вставка ДНК или трансфекция, которая представляет наибольший интерес в генной терапии, является значительно более сложной задачей. Тем не менее, совместное применение механических и электрических сил, впервые примененное Мичемом и его коллегами, дает примерно 100-процентное улучшение трансфекции по сравнению с чистой механопорацией. Результаты исследования опубликованы в Scientific Reports.
«Мы продемонстрировали нашу технику порации с использованием линий раковых клеток и первичных моноцитов, полученных от пациентов, что является важным достижением, но конечной целью является использование нового комбинированного метода для успешной модификации Т-клеток иммунной системы пациента», — сказал Мичем. . «Мы возьмем клетки, извлеченные у пациента, пропустим их через наше устройство и модифицируем их, а затем они будут повторно введены пациенту. Это Святой Грааль персонализированной медицины и новых генных методов лечения».Работа Мичема последовала за одобрением в августе Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США первой генной терапии с использованием иммунных клеток, полученных от пациентов, в США. Вторая такая терапия была одобрена Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США в октябре.
Новые методы иммунотерапии, известные как терапия с помощью CAR-T-клеток, включают в себя встраивание гена в собственные иммунные клетки пациента, который помогает этим клеткам проникать в раковые клетки и атаковать их.Эти методы лечения одобрены для лечения педиатрических пациентов в возрасте до 25 лет с формой острого лимфобластного лейкоза (ОЛЛ) и взрослых с некоторыми типами прогрессирующей неходжкинской лимфомы. Онкологи Вашингтонского университета проводят лечение пациентов через Siteman Kids в детской больнице Сент-Луиса, в онкологическом центре Siteman при Еврейской больнице Барнса и в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сент-Луисе.По словам Мичема, чрезвычайная сложность, связанная с доставкой генов в клетки для использования в этой генной терапии, мотивировала поиск эффективных методов трансфекции.
«Нехимические, невирусные подходы, которые используют преимущества механических или электрических стимулов для преодоления клеточных барьеров на пути передачи генов, являются убедительными по многим причинам, включая безопасность, стоимость и потенциал (или их отсутствие) для крупномасштабного производства терапевтические клетки », — сказал он. «Чтобы такие методы были успешными, в клеточной мембране должны быть созданы поры, которые должны быть достаточно большими и оставаться открытыми достаточно долго, чтобы вставить молекулы, не повреждая и не убивая клетку и не доставляя молекулу к ядру клетки, где она может работать».Мичем описывает свою систему, которая возникла на основе технологии, которую он впервые разработал, когда он был докторантом Технологического института Джорджии, как акустический генератор капель.
«Мы применяем сфокусированные механические силы, такие как сдвиг жидкости, которые толкают и тянут клетку, используя движение жидкости», — сказал Мичем. «Мы берем суспензию клеток и используем ультразвуковое поле для прокачки жидкости через микроскопические сужения на концах форсунок или акустических рожков. В результате получается своего рода спрей. Клетки, которые находятся в потоке, подвергаются интенсивной механической стимуляции, поскольку они проходят через это ограниченное пространство и выбрасываются из отверстий сопла ".Экспериментальные результаты показывают, что устройство создает поры в клеточной мембране размером от 100 до 150 нанометров, которые позволяют доставлять даже большие полезные нагрузки в клетку.
Кроме того, поры остаются открытыми до минуты, чего достаточно для доставки молекул в клетку. По словам Мичема, этот метод можно использовать практически с любым типом клеток и суспензионной средой, а также с большинством биомолекул и наноматериалов.По его словам, уникальный исполнительный механизм устройства позволяет исследователям исследовать гораздо больший диапазон скоростей сдвига и электростимуляции для оптимизации параметров лечения, специфичных для клеток.
«Мы обнаружили, что поле акустического давления и локальные напряжения сдвига, действующие на клетку из-за потока жидкости, имеют решающее значение для создания пор в клеточной мембране», — сказал Мичем. «Наиболее эффективная порация мембраны наблюдалась после того, как клетка подвергалась кратковременному воздействию среды с высоким сдвигом при сужении сопла, когда клетка проталкивается через сопла нашего устройства».