Создан управляемый светом гидрогель

Одним из относительно новых методов, использующих свет для активации или ингибирования реагирующих на него белков, контролирующих определенные клеточные функции, является оптогенетика. На данный момент большинство исследований в этой области проводятся на клетках мозга, позволяющих ученым проводить манипуляции с отдельными нейронами и наблюдать эффекты на них. Несмотря на то, что эта революционная методика позволяет изучать внутреннюю работу мозга без использования электродов и других видов прямого контакта с тканью, сложности ее использования на глубоко расположенных структурах организма ограничивают область применения оптогенетики.

Для достижения терапевтического эффекта свет должен распространяться равномерно сквозь клетки, но ткани тела человека непрозрачны и рассеивают, поглощают или иным образом уменьшают проникновение света, снижая его способность распространяться под кожей. Для преодоления этой проблемы получивший грант NIBIB Сеок-Хен Энди Юн (Seok-Hyun Andy Yun) и исследователи из Медицинской школы Гарварда и различных институтов в Корее провели эксперимент с использованием прозрачных гидрогелей в сочетании с оптогенетическим подходом.

Гидрогели похожи на пищевой желатин, но исследуются на предмет их использования в медицинских имплантах, которые в настоящее время в большинстве своем сделаны из жестких материалов, таких как пластик и металл. Несмотря на то, что такие импланты созданы, чтобы работать внутри тела, наличие твердого предмета среди мягких тканей может вызывать воспаление и другие нежелательные эффекты. Напротив, гидрогель может быть сделан с использованием биосовместимых материалов, высокое содержание воды в которых и гибкость позволяют более плотно прилегать к мышцам, органам и другим внутренним частям тела, так что управление светом становится эффективным. Экспериментируя с различными составами гидрогеля, Юн с коллегами создали прочную и гибкую прозрачную пластину, способную проводить лазерный луч, распространяя его в разные стороны в пределах своих границ. 

Исследователи также способны посеять клетки в гидрогеле (как фрукты в желатиновом желе), что способствует рассеиванию и преломлению света, создавая равномерное свечение всей пластины. При имплантации под кожу мышей становится хорошо видно светящийся гидрогель. Далее исследователи вырастили клетки, светящиеся зеленым в присутствии кадмия. При инъекции мышам меток на основе кадмия вместе с имплантами из гидрогеля, клетки внутри геля светились зеленым. Однако если метки были покрыты более биосовместимым цинком, свечения не наблюдалось. Это дает возможность предположить, что цинк эффективно экранирует клетки в гидрогеле от токсичности кадмия.

Чтобы проверить способность гидрогеля доставлять лекарственные средства, ученые создали пластину с клетками, светящимися в присутствии кальция. В пластину было встроено оптическое волокно, проводящее голубой свет, и она была имплантирована мыши с химической моделью диабета. Под воздействием голубого света белок меланопсин запускает каскад клеточных реакций, включающий высвобождение кальция, позволяющего контролировать последствия диабета. 

У мышей, подвергнутых воздействию голубого света, клетки в имплантированном гидрогеле светились намного сильнее, чем у тех, кто воздействию света не подвергался. Это позволяет предположить, что первая группа животных имела более высокий уровень внутриклеточного кальция и, соответственно, более высокую антидиабетическую активность. Для подтверждения этого предположения мышей протестировали на устойчивость к глюкозе, и посмотрели, за какое время уровень глюкозы в крови вернется к нормальному уровню. 

У страдающих диабетом, но подвергнутых воздействию голубого света мышей уровень сахара в крови нормализовался в пределах полутора часов, тогда как в группе, которую не освещали, он продолжал расти и спустя два часа. Это демонстрирует, что проникающий через гидрогель свет вызывает биологический эффект, который возможно измерить, что в свою очередь может быть использовано для доставки лекарственных средств при оптогенетическом подходе к лечению.

При помощи созданного Юном и коллегами гидрогеля возможно направлять внутрь тела контролируемые и предсказуемые потоки света, что может помочь в решении некоторых существующих клинических проблем. Как говорит Ричард Конрой (Richard Conroy), курирующий поддерживаемые NIBIB проекты: «Необходима дальнейшая проверка и усовершенствование этой технологии перед тем, как ее можно будет применить для решения проблем здоровья человека, но это открытие весьма многообещающе в плане продвижения медицинских подходов к лечению на основе фототерапии».