Биогибридные эритроциты стали многофункциональными курьерами для кровеносной системы

Биоинженеры создали гибридные микрочастицы, свойства которых идентичны настоящим эритроцитам: они одинаковы по размеру, форме, способности деформироваться и переносить кислород. Для создания частиц из живых эритроцитов ученые сделали кремниевую форму, которую покрыли слоем полимера и клеточной мембраной, а затем растворили. Микрочастицы оставались в кровотоке мышей и эмбрионов курицы и не были токсичными. В искусственные эритроциты удалось поместить ряд грузов: гемоглобин, контрастирующие агенты для МРТ, противоопухолевый препарат, оксид железа для управления частицами с помощью магнитного поля и флуоресцентный сенсор АТФ для чувствительности к токсинам. Статья опубликована в журнале ACS Nano.

Эритроциты, или красные кровяные тельца, — относительно простые системы (у них нет ядра и многих других органелл), при этом у них есть целый ряд приспособлений для выполнения различных функций. Эритроциты имеют дисковидную двояковогнутую форму, которая обеспечивает максимальное соотношение площади поверхности к объему и позволяет красным кровяным тельцам изгибаться и сплющиваться, чтобы протиснуться через узкие капилляры. Основная функция эритроцитов — перенос кислорода и углекислого газа, для этого в них быстро формируются и превращаются друг в друга различные комплексы гемоглобина с газами. Наконец, на мембране красных кровяных телец находятся биомаркеры, по которым макрофаги узнают в них «своих» и не фагоцитируют.

Ученые предпринимали целый ряд попыток имитировать отдельные свойства эритроцитов в синтетических частицах: создали полимерные везикулы с гемоглобином, гибкие двояковогнутые диски из гидрогеля, покрытые мембранами настоящих эритроцитов частицы, управляемые магнитным полем микромоторы. Эти работы вдохновили группу исследователей из Китая и США под руководством Джеффри Бринкера (Jeffrey Brinker) из Университета Нью-Мексико на создание искусственных эритроцитов, которые повторяли бы все свойства красных кровных телец, могли бы переносить груз и выполнять ряд дополнительных функций.

Искусственные частицы создавали в четыре этапа. Чтобы точно скопировать форму эритроцитов, живые клетки покрывали 10-нанометровым слоем аморфного оксида кремния: фиксированные в формальдегиде красные кровяные тельца помещали в раствор кремниевой кислоты на 24 часа, а затем осаждали кислоту с помощью ферментов. Полученные частицы использовали как форму для послойного осаждения самособирающихся биосовместимых полимеров: положительно заряженные молекулы хитозана и отрицательно — альгината поочередно садились на поверхность оксида кремния. Затем из частиц вытравливали оксид кремния плавиковой кислотой, а полимерный остов (его толщина составила около 90 нанометров) покрывали мембраной, которую выделили из эритроцитов.

Исследователи убедились, что мембрана эритроцитов покрыла частицы правильной стороной и сохранила свои свойства. Для этого искусственные эритроциты агглютинировали антителами анти-А, анти-B и анти-резус-фактор. Эти антитела взаимодействуют с соответствующими антигенами (если они есть) на мембране эритроцитов и вызывают их склеивание (агглютинацию); таким же способом медики определяют группу крови. Действительно, при добавлении соответствующих антител искусственные эритроциты агглютинировали.

Механические свойства частиц проверили в микрофлюидной системе, которая имитировала капилляры и состояла из тонких трубочек между двумя более широкими. Вместе с потоком жидкости искусственные эритроциты просачивались сквозь капилляры диаметром пять микрометров и обратимо меняли форму так же, как и настоящие красные кровяные тельца.

Затем частицы протестировали в живых системах: искусственные эритроциты вводили в глазничную область мышей или в оболочку зародыша курицы. Частицы циркулировали в крови мышей относительно долго (через 48 часов в кровотоке остался 21 процент искусственных эритроцитов), а затем откладывались в тканях, в основном в печени. С помощью флуоресцентного мечения удалось записать движение искусственных эритроцитов по капиллярам эмбриона курицы. 

За месяц после инъекции микрочастицы не вызвали никаких побочных эффектов у мышей: вес животных оставался постоянным, уровень метаболитов в крови был нормальным, а при вскрытии исследователи не обнаружили патологических изменений печени, почек, легких или селезенки.

После первичного тестирования пустых эритроцитов in vivo в частицы добавили различные «грузы»: гемоглобин, контрастирующие агенты для МРТ, противоопухолевый препарат, оксид железа Fe₃O₄ или флуоресцентный сенсор АТФ.

Частицы с гемоглобином переходили из оксигенированного в дезоксигенированное состояние и обратно при помещении в азот или атмосферный воздух; кривые насыщения кислородом были близки таковым у настоящих эритроцитов. В зависимости от строения полимерной оболочки частицы либо задерживали груз, либо высвобождали его (это необходимо для использования эритроцитов как систем доставки лекарств). Частицы с Fe₃O₄ двигались в магнитном поле — так искусственными эритроцитами можно дистанционно управлять для адресной доставки лекарств.

Наконец, авторы работы предположили, что искусственные эритроциты могут задерживать цитотоксические молекулы бактерий, которые образуют поры в мембране клеток и запускают их разрушение. Микрочастицы покрыты мембраной живой клетки, на которую токсины могут садиться, но обладают прочным полимерным каркасом, который препятствует повреждению. Гипотеза оказалась верной: когда к искусственным эритроцитам добавили альфа-гемолизин, они остались цельными, тогда как больше 90 процентов настоящих эритроцитов разрушилось. Когда живые и искусственные тельца смешали в растворе альфа-гемолизина, повредилась лишь половина первых — значит, микрочастицы «приняли удар» на себя. Флуоресцентный сенсор АТФ на мембране частиц был чувствительным к лизису эритроцитов — при повреждении мембраны АТФ выходила в раствор, и сенсоры на искусственных клетках начинали светиться.

Чаще всего под искусственной клеткой имеют в виду более простые биогибридные системы — мембранные пузырьки (везикулы), в которые помещают необходимые вещества (например, лекарства для восстановления сердца после инфаркта). С помощью оптического пинцета из везикул создают и упорядоченные двух- и трехмерные структуры.

Алиса Бахарева