Человеческие клетки поразительно малы — всего около 20 микрометров в диаметре, то есть примерно в пять раз тоньше человеческого волоса. В этом тесном объеме соседствуют белки, органеллы и сложные молекулярные «механизмы», поддерживающие жизнь. Но что, если в это пространство можно было бы поместить крошечные искусственные структуры? Такая возможность открыла бы путь к долгосрочному наблюдению за клетками, точным химическим измерениям и изучению того, как они реагируют на механические нагрузки.
До недавнего времени это звучало скорее как научная фантастика. Однако исследователи из Словении показали: печатать твердые трехмерные объекты прямо внутри живых человеческих клеток — возможно.
Почему так сложно поместить что-то внутрь клетки
Большинство клеток не способны захватывать твердые объекты крупнее одного микрометра. Да, иммунные клетки умеют «проглатывать» чужеродные частицы, но они изолируют их внутри мембранных пузырьков. В таком виде объект оказывается заперт и не может свободно взаимодействовать с цитоплазмой — внутренней средой клетки.
Существуют и другие методы доставки веществ: микроинъекции или временное «раскрытие» клеточной мембраны. Они отлично подходят для молекул, но не позволяют разместить внутри клетки самостоятельные, твердые структуры с заданной формой. Именно эту проблему и попытались решить ученые.
Как работает печать внутри клетки
В своей работе, опубликованной в журнале Advanced Materials, словенская команда использовала технологию двухфотонной полимеризации — лазерный метод, широко применяемый в микроскопической 3D-печати. Его суть в том, что полимер твердеет только в точке фокуса ультракороткого лазерного импульса, что позволяет «рисовать» объемные структуры с микронной точностью.
Сначала исследователи доставили материал для печати внутрь клетки. С помощью сверхтонких стеклянных игл они ввели микрокапли фотополимера IP-S в клетки HeLa — одну из самых распространенных человеческих клеточных линий. Материал подобрали так, чтобы он не был токсичным для живой клетки, оставался безопасным после отверждения и растворялся, если полимеризация проходила не полностью.
Затем капли диаметром 10–15 микрометров облучали ультрабыстрым лазером через высокоточный микроскоп. Перемещая фокус слоя за слоем, ученые буквально «выращивали» твердые микроструктуры внутри цитоплазмы, почти не повреждая окружающее клеточное содержимое.
Как клетки реагируют на внутреннюю «постройку»
Чтобы продемонстрировать возможности метода, исследователи напечатали целую галерею миниатюр: полого слона размером 10 микрометров, логотипы лабораторий, пустотелые сферы и решетчатые конструкции. Микроскопия подтвердила: все объекты действительно находились внутри клеточной мембраны. Более того, ядро клетки заметно меняло форму, словно «уступая место» новому соседу.
Воздействие на выживаемость оказалось сопоставимым с другими инвазивными методами. Через 24 часа примерно 55 % клеток с напечатанными структурами погибали — почти столько же, сколько и при простом проколе мембраны без печати.
Выжившие клетки, однако, вели себя вполне нормально. Они сохраняли форму, продолжали делиться, а при митозе напечатанные объекты переходили в дочерние клетки. Правда, размер имел значение: структуры крупнее 5 микрометров задерживали деление как минимум на час. Это намекает, что инородные тела внутри клетки могут subtly, но заметно влиять на ее поведение.
Зачем это нужно
Пока что технология требует индивидуальной работы с каждой клеткой, что ограничивает ее масштабирование. Тем не менее улучшение материалов и методов доставки может сделать процесс более массовым.
Главное же — сам факт: теперь цитоплазма живой клетки может служить площадкой для точной биофабрикации. Это открывает путь к созданию внутриклеточных сенсоров, локальных систем доставки лекарств или даже микроструктур, способных прикладывать контролируемые механические силы изнутри. Иначе говоря, ученые сделали первый шаг к инженерии не просто на клеточном уровне, а буквально внутри клетки.
