Активируемые ультразвуком наночастицы в иммунных клетках запускают целенаправленную воспалительную реакцию!
(A) ПЭГ-биотиновое покрытие NP с SA-FITC-маркировкой. (B,C) СЭМ: до/после УЗИ — агрегаты (стрелки) и отдельные NP (кружки). (D) Температура при УЗИ стабильна (≤37°C); вставка — схема установки с термопарой.
Междисциплинарная команда исследователей из Бостонского колледжа разработала революционный метод управления иммунной системой с помощью пьезоэлектрических наночастиц и удалённого ультразвукового воздействия. Этот подход позволяет активировать иммунные клетки только в очаге заболевания — например, в опухоли или инфицированной ткани — без системного воздействия на организм, что исключает токсичность и побочные эффекты традиционных лекарств.
Центральным элементом технологии являются наночастицы титаната бария (BaTiO₃) — пьезоэлектрического материала, который генерирует локальный электрический заряд при механическом воздействии, таком как ультразвук. Эти частицы вводятся внутрь макрофагов — клеток, играющих ключевую роль в распознавании патогенов, уничтожении опухолевых клеток и регуляции воспаления. При облучении ультразвуком наночастицы создают микроэлектрические импульсы, которые «перезагружают» макрофаги, переводя их в про-воспалительную, антиопухолевую форму M1.
Этот эффект был впервые продемонстрирован в in vitro экспериментах на макрофагах мышей. В отчёте, опубликованном под названием «Пьезоэлектрические наночастицы титаната бария индуцируют поляризацию M1 в макрофагах мышей с помощью ультразвука in vitro», учёные показали, что при точной настройке мощности ультразвука (не превышающей порога клеточной токсичности) более 80% макрофагов переходят в активную M1-форму, способную уничтожать опухолевые клетки и усиливать иммунный ответ.
«Мы не просто стимулируем клетки — мы направляем их функцию. Это как включить тумблер в нужном месте, а не разлить кислоту по всему организму», — поясняет профессор физики Феррис Майкл Джей Нотон, один из ведущих авторов исследования. Открытие стало неожиданным побочным эффектом: изначально команда искала способ безопасно активировать иммунные клетки, но обнаружила, что при повышенной мощности ультразвука наночастицы могут разрушать клетки. Это натолкнуло их на мысль: а нельзя ли использовать этот эффект против рака — уничтожать опухолевые клетки, насыщенные наночастицами, с помощью сфокусированного ультразвука?
Сейчас исследователи активно тестируют этот подход как тераностическую стратегию — совмещение диагностики и терапии. В сотрудничестве с Йельской школой медицины наночастицы были модифицированы радиоактивной меткой, позволяющей отслеживать их локализацию в организме с помощью ПЭТ-сканирования. Это означает, что врач может не только визуализировать опухоль, но и одновременно активировать ультразвуком наночастицы внутри неё — уничтожая раковые клетки и одновременно запуская иммунный ответ.
Но самое глубокое открытие касается не только терапии, а фундаментальной биологии. Профессор биологии Тимоти Коннолли предполагает, что пьезоэлектрический сигнал, генерируемый наночастицами, может имитировать естественный «биофизический код», который клетки используют для восприятия окружающей среды. По его гипотезе, механические и электрические стимулы вызывают формирование внутри клеток микроскопических капель — так называемых биомолекулярных конденсатов — которые изолируют и регулируют ключевые гены, контролируя клеточную судьбу: от воспаления до старения и рака.
«Если мы правильно понимаем механизм, то мы расшифровываем универсальный язык, которым клетки “говорят” друг с другом через физику, а не только химию», — говорит Коннолли. Это может изменить наше представление о том, как иммунная система реагирует на травмы, инфекции и опухоли — и открыть путь к новому классу терапий, управляемых не химическими молекулами, а физическими сигналами.
Для проверки этой гипотезы команда планирует провести одноклеточное РНК-секвенирование, чтобы сравнить генетические профили макрофагов, активированных ультразвуком, с теми, что стимулированы традиционными цитокинами. Если будут найдены схожие паттерны экспрессии генов — это подтвердит существование нового биофизического кода регуляции клеток.
Помимо Нотона и Коннолли, в исследовании участвовали профессор физики Кшиштоф Кемпа, а также студенты Бостонского колледжа Камилла Джонсон, Эллисон Чен и Дилан Хатт — чьи вклады в экспериментальную работу и анализ данных оказались критически важными.
Перспективы:
Технология уже привлекла внимание фармацевтических компаний и институтов онкологии. В ближайшие годы планируются искуственные испытания на моделях рака молочной железы и меланомы. Если успех будет подтверждён, это может стать первым в мире методом безлекарственной, точечной, визуализируемой иммунотерапии, управляемой ультразвуком — с минимальными побочными эффектами и максимальной целенаправленностью.
