Известно, что стволовые клетки на ранних стадиях развития организма, а также клетки определенных типов во “взрослом” организме обладают подвижностью и способны перемещаться на значительные расстояния и даже мигрировать по всему организму. Визуализация мигрирующих клеток имеет большое значение в биомедицинских исследованиях, однако во многих случаях подобные эксперименты затруднены отсутствием подходящего “маркера” для мигрирующей клетки. Например, флуоресцентные зонды и любые прижизненные красители быстро обесцвечиваются и вытекают из клеток, а также оказывают фототоксическое действие. Таким образом, актуальной задачей является поиск веществ и материалов-маркеров, позволяющих оценивать передвижения клеток.

Клетки каких типов во “взрослом” организме способны к перемещениям на большие расстояния (1 балл)? Для чего организму нужна миграция клеток (поясните для всех типов клеток, которые Вы перечислили в первой части вопроса) (1 балл). При помощи каких наноматериалов можно исследовать миграцию клеток в эмбрионах, клеточных культурах, срезах тканей и целом организме и какие методы исследования при этом можно использовать (5 баллов)? Каким требованиям должны удовлетворять предложенные наноматериалы (2 балла)? Для решения каких фундаментальных или прикладных медицинских задач Вы бы использовали предложенные Вами способы исследования миграций клеток (2 балла)?

Ответ: На большие расстояния перемещаются клетки иммунной системы, функция которых – нахождение чужеродного антигена с последующей активацией систем иммунного ответа. К таким клеткам относятся дендритные клетки, макрофаги. В соединительной ткани постоянно перемещаются фибробласты, формирующие коллагеновые нити. В нервной системе перемещаются клетки микроглии, сползающиеся к местах поражений и воспалений и выполняющие роль иммунных клеток, а также стволовые клетки, которые могут мигрировать к местам поражений для того, чтобы дифференцироваться в нейроны или глиальные клетки.

В эмбриогенезе миграция клеток необходима для формирования тканей и органов.

Обычные флуоресцентные зонды или красители плохо подходят для исследования перемещений клеток, поскольку подобные эксперименты занимают много времени и зонды за это время обесцвечиваются и вытекают из клеток.

В качестве наноматериалов, позволяющих исследовать перемещения клеток в течение длительного времени, можно использовать:

(1) квантовые точки, по флуоресценции которых можно отслеживать перемещения клетки. Для того, чтобы следить за перемещением одной клетки в культуре или срезе ткани, квантовые точки можно инъецировать в цитоплазму клетки при помощи микроэлектродов. Если необходимо исследовать перемещения нескольких клеток, то в цитоплазмы каждой из них можно инъецировать квантовые точки с различными спектральными свойствами, чтобы спектры флуоресценции у каждой клетки были различными. Метод исследования – конфокальная флуоресцентная микроскопия. Также к квантовым точкам можно “пришить” антитела к поверхностным белкам плазматической мембраны нужного типа клеток. В этом случае инъекция квантовых точек не потребуется.

(2) Наночастицы серебра или золота, к поверхности которых “пришиты” молекулы, нетоксичные для клеток и дающие интесивный спектр комбинационного рассеяния, многократно усиливающийся на наночастице благодаря плазмонному резонансу. Клетки, обладающие эндоцитозом (макрофаги, дендритные клетки, фибробласты), поглатят НЧ. Для того, чтобы пометить клетки наночастицами избирательно, можно инъецировать раствор с наночастицами серебра или золота в цитоплазму нужной клетки. Перемещения клетки отслеживаются по перемещению сигнала комбинационного рассеяния от молекулы, пришитой к наночастицам, находящимся в цитоплазме клеток. Метод исследования – микро-спектроскопия гигантского (поверхностно-усиленного) комбинационного рассеяния.

(3) Углеродные нанотрубки. Они обладают очень интенсивным комбинационным рассеянием без всякой дополнительной модификации. Клетки с активным эндоцитозом поглатат нанотрубки и в дальнейшем перемещение клеток отслеживается по комбинационному рассеянию от нанотрудок внутри клеток. Метод исследования – спектроскопия или микро-спектроскопия КР.

Для исследования миграций клеток в целом организме можно применять все перечисленные подходы. Затрудняющим фактором будет проникновение возбуждающего света в ткани и флуоресценции или сигнала КР из тканей. В этом случае можно использовать многофотонную систему возбуждения с инфракрасным лазером, обладающим глубокой проникающей сопосбностью. Так, одной группой авторов были опубликованы результаты по исследованию перемещения по телу мыши раковых клеток, помеченных углеродными нанотрубками.