Материаловеды напечатали внутри живой клетки слона размером с бактерию

Материаловеды из Словении напечатали внутри живой клетки структуры размером до 15 микрометров. Благодаря использованию мягкого метода двухфотонной печати и биосовместимых чернил они смогли довести выживаемость клеток до 96%. В дальнейшем метод можно будет использовать для создания клеточных меток и изучения разных болезней, например, фиброза. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.

Двухфотонная полимеризация — это один из самых аккуратных и мягких методов лазерной 3D-печати. Для превращения жидких чернил в твердое полимерное изделие используется низкоинтенсивный (чаще всего — инфракрасный) лазер. Энергия подобрана таким образом, чтобы для полимеризации каждой молекуле требовалось поглотить два фотона. А такое поглощение, в свою очередь, возможно только в фокальной области пучка, что позволяет печатать с высоким разрешением, не задевая лазером окружающее пространство. Это особенно важно для биосовместимой печати: двухфотонную полимеризацию уже применяли для печати в мышечной ткани мышей и внутри эмбрионов плодовой мушки. 

Однако до сих пор никому не удавалось напечатать объект внутри живой клетки. Решить эту задачу сумели словенские материаловеды из под руководством Матъяжа Хумара (Matjaž Humar) из Университета Любляны. Ученые работали с клетками культуры HeLa. Сначала с помощью микроинъекций в каждую клетку вводили каплю биосовместимых чернил, а затем с помощью сфокусированного лазера с длиной волны 780 нанометров «пропечатывали» нужную трехмерную форму прямо в цитозоле (жидком содержимом клетки). После этого, по плану Хумара и его коллег, неполимеризованные чернила должны были раствориться, оставив внутри клетки только затвердевшую структуру.

Одной из ключевых проблем был выбор правильных чернил. Нужно было найти вещество, безвредное и в полимеризованном, и в неполимеризованном виде. Кроме того, неполимеризованные чернила должны были растворяться в воде, но не очень хорошо (а главное — не очень быстро). Чернила со слишком хорошей растворимостью начали бы вымываться еще в процессе печати, деформируя готовую структуру, а совсем нерастворимые вещества остались бы в клетке навсегда. Это не только помешало бы оценить готовый результат печати, но и затруднило бы дальнейшее питание и жизнь клетки. Протестировав несколько десятков вариантов, Хумар и его коллеги остановились на коммерческих чернилах IP-S Nanoscribe на основе акрилата с добавками ароматических кетонов, которые играют роль фотоинициаторов полимеризации. 

Подобрав чернила, ученые смогли напечатать структуры размером до 15 мкм с разрешением 300–500 нанометров. Помимо слона напечатали также четырехслойные метки для баркодинга (аналог QR-кода, по которому можно будет отличать клетки друг от друга), дифракционные метки ориентации в пространстве и микрокольцо, которое при подсветке играет роль микролазера. Печать одной структуры занимала от 3 до 30 секунд, в зависимости от сложности.

Выживаемость клеток составила от 15 до 96% в зависимости от способа введение чернил. Такой большой разброс показывает, что основной урон клетке наносила именно микроинъекция, а последующая обработка лазером, а также само присутствие напечатанной структуры переносились гораздо легче. Пережившие инъекцию и печать клетки успешно функционировали и делились, при делении структура несимметрично наследовалась одной из дочерних клеток. Объекты размером более 5 мкм замедляли деление клеток, но даже самые крупные не блокировали его полностью.

В дальнейшем авторы планируют расширить метод за счет использования водорастворимых фотополимеров, которые полностью смешиваются с цитозолем. Разрешение печати снизится, зато чернила можно будет вводить без инъекций, напрямую через мембрану, а значит, выживаемость станет выше. А еще новый метод позволит печатать в любой точке клетки: например, физически изолировать отдельные органеллы и даже блокировать конкретные сигнальные пути. Это может быть полезно для изучения разных заболеваний, связанных с изменением жесткости, например, фиброза.

В прошлом году китайские материаловеды научились наносить тихоходкам татуировки с помощью метода ледяной литографии. Нужную форму получали с помощью сфокусированного электронного пучка, а в качестве чернил использовали слой замороженного анизола, который одновременно служил и защитой от воздействия электронов.