Біоінженери розробили неінвазивний метод управління клітинами за допомогою температури

Дослідники з Університету Пенсильванії розробили інноваційний метод управління клітинами за допомогою температури. Цей підхід може стати основою для нових типів клітинної терапії, в яких модифіковані клітини будуть реагувати на природні фізіологічні зміни, такі як підвищення температури тіла. Робота команди Лукаша Бугая відкриває перспективи більш точного і безпечного лікування різних захворювань, включаючи онкологію.

«Всередині складних біологічних систем постійно відбуваються численні процеси. Коли ми вводимо модифіковані клітини в організм для виконання певних функцій, наприклад, пошуку і знищення патогенів або пухлинних клітин, було б ідеально мати можливість керувати ними, направляти їх у потрібне місце в потрібний час і контролювати їхню поведінку», — пояснює Лукаш Бугай, біоінженер з Пенсильванського університету.

У своїй новій роботі лабораторія Лукаша Бугая представила інноваційний інструмент, який дозволяє віддалено і неінвазивно взаємодіяти з клітинами, контролюючи їх активність після потрапляння в організм. Дослідження, опубліковане в Nature Methods, описує новий білок під назвою Melt, який можна активувати за допомогою температури.

Від оптогенетики до термогенетики: еволюція Melt

Біологія вже давно використовує методи управління клітинними процесами за допомогою світла — ця область називається оптогенетикою. Вона дозволила здійснити революцію в науці, надавши можливість вмикати і вимикати певні клітинні шляхи з високою точністю. Однак у цієї технології є значний недолік: світло погано проникає через тканини, що робить її малоефективною для багатьох медичних застосувань.

«Нам був потрібен більш універсальний інструмент, здатний впливати на клітини в глибині тканин», — пояснює Бугай. «Саме тому ми звернулися до температури. Тепло проникає набагато глибше, ніж видиме світло, і може використовуватися для контролю клітинних процесів у найрізноманітніших умовах».

Проривне відкриття сталося несподівано — в процесі вивчення грибка Botrytis cinerea, відомого своєю здатністю викликати гниття ягід і винограду. Вчені виявили, що цей грибок виробляє білок BcLOV4, який спочатку досліджували через його чутливість до світла. Однак, коли лабораторія Бугая впровадила цей білок у лінії людських клітин, сталося нещо несподіване.

«Ми помітили, що білок реагує не тільки на світло, але і на температуру», — розповідає перший автор дослідження, колишній аспірант лабораторії Бугая Уілл Бенман. «Це відкриття нас вразило, тому що існує безліч білків, що реагують на світло, але дуже мало білків, що реагують на зміни температури».

Це наштовхнуло команду на думку: чи можливо створити білок, який буде реагувати виключно на тепло? І якщо так, то чи можна використовувати його для управління поведінкою клітин без необхідності інвазивного втручання?

Після безлічі експериментів вони модифікували BcLOV4 і отримали новий білок, який став виключно термочутливим. Він отримав назву Melt — скорочення від Membrane Localization by Temperature (локалізація мембран за допомогою температури).

«Ми відключили його світлочутливість і налаштували температурну чутливість так, щоб він працював при температурі людського тіла», — додає Паван Айенгар, колишній науковий співробітник лабораторії Бугая. «Тепер це своєрідний диммер: підвищення температури активує білок, а зниження — деактивує його».

Melt в дії: від регуляції клітинних шляхів до боротьби з раком

Об'єднавши Melt з різними біологічними механізмами, команда змогла контролювати такі процеси, як клітинна сигналізація, розщеплення пептидів і навіть індукована загибель клітин. В одному з найбільш вражаючих експериментів вчені продемонстрували, що просте місцеве охолодження (по суті, «просунутий пакет зі льодом») може активувати механізм загибелі пухлинних клітин без системних токсичних ефектів, характерних для хіміотерапії.

Але потенціал Melt не обмежується тільки терапевтичними застосуваннями. Дослідники розглядають його як потужний інструмент для фундаментальної науки, який може допомогти вивчати складні клітинні процеси в реальному часі.

«Це один з тих рідкісних випадків, коли білок здатний виконувати одразу кілька функцій», — пояснює аспірант лабораторії Бугая і співавтор дослідження Цзікан (Денніс) Хуан. «Він може реагувати на світло, відчувати температуру, переміщатися до мембрани, а також брати участь в інших молекулярних процесах. У більшості випадків природні білки виконують лише одну функцію, а тут ми маємо унікальний багатофункціональний інструмент. Коли ми повністю розберемося в його механізмі роботи, у нас з'явиться можливість створювати нові білки з аналогічними інтегрованими функціями».

Перспективи: Melt і майбутнє клітинної терапії

У короткостроковій перспективі Melt може зіграти ключову роль у розробці більш ефективних і менш токсичних методів лікування раку, а також у персоналізованій медицині. Можливість управляти клітинами за допомогою температури відкриває шлях до інноваційних стратегій терапії, дозволяючи активувати потрібні процеси тільки в необхідних зонах організму.

«Ця робота стала можливою завдяки фінансуванню з боку федерального уряду, а також підтримці Центру точної інженерії для охорони здоров'я в Пенсильванії», — підкреслює Бугай. «На основі наших ранніх результатів ми нещодавно отримали великий грант NIH для подальшої розробки технології та перевірки її ефективності в моделях раку».

У майбутньому Melt і аналогічні інструменти можуть призвести до створення принципово нових типів клітинної терапії, в яких клітини будуть реагувати не тільки на штучні сигнали, але й на природні фізіологічні зміни, такі як підвищення температури тіла при лихоманці або запальних процесах. Це відкриє нові горизонти в медицині, дозволяючи впроваджувати ще більш точні, адаптивні та безпечні методи лікування різних захворювань.