Антитела — один из самых ценных инструментов в медицине. Они нейтрализуют вирусы, нацелены на раковые клетки и выявляют наличие заболевания. Но у них есть один существенный недостаток: обычно они действуют вне клеток. Внутри клеток, где зарождается множество заболеваний, традиционные антитела часто слишком велики и нестабильны, чтобы выполнять свою функцию.
Новое исследование предлагает способ решения этой проблемы. Специально разработанные уменьшенные версии антител, называемые наноантителами, могут проникать в живые клетки и выживать внутри них. Благодаря флуоресцентной метке они способны связываться со специфическими белками и другими сложными молекулами внутри клетки и светиться в них.
Это достижение приближает внутриклеточные антитела, или антитела, работающие внутри клеток, к тому, чтобы стать практическими инструментами исследований. Вместо того чтобы разрушать клетки, чтобы увидеть, что происходит, ученые теперь могут наблюдать за многими клеточными процессами, разворачивающимися в режиме реального времени в клетках, тканях и даже целых организмах.
Почему антителам трудно проникать внутрь клеток
В нормальных условиях антитела не могут проникать через клеточную мембрану. До недавнего времени их основная функция заключалась во взаимодействии с внешним миром. Традиционные антитела эволюционировали для работы в крови и других жидкостях. Внутри клеток антитела часто теряют свою форму, слипаются или полностью перестают действовать. Даже генно-модифицированные версии могут стать нестабильными после прикрепления флуоресцентных меток.
Это создает проблему, поскольку многие из важнейших событий при заболеваниях происходят внутри клеток. Вирусы захватывают клеточные механизмы, белки неправильно сворачиваются, а раковые клетки перестраивают пути роста. Ученым долгое время не хватало надежных инструментов для наблюдения за этими процессами в режиме реального времени.
Новый подход, использующий уменьшенные версии антител, называемые наноантителами, проще адаптировать для использования внутри клеток.
Превращение антител в клеточные маяки
Вместо прикрепления флуоресцентных белков к концам наноантитела, новый подход размещает их внутри гибких частей структуры. Это помогает обоим компонентам функционировать вместе без нарушения взаимодействия. В результате получается семейство ярко окрашенных зондов, которые остаются стабильными внутри живых клеток. Команда создала версии, светящиеся синим, зеленым, оранжевым, красным и даже ближним инфракрасным светом.
Каждое светящееся наноантитело предназначено для распознавания определенной мишени внутри клетки. Некоторые связываются с широко используемыми маркерными белками. Другие распознают белки вирусов или белки, участвующие в клеточной структуре и коммуникации. Зонды светятся только при прикреплении к мишени, что значительно снижает фоновый шум.
Наблюдение за живыми клетками в режиме реального времени.
Система работает в самых разных условиях. Выращенные в лаборатории человеческие клетки продемонстрировали четкую маркировку структур внутри ядра, клеточной мембраны и энергетических компартментов.
Зонды также отслеживали активность нейронов — клеток, передающих сигналы через мозг и нервную систему. В одном из экспериментов отслеживались изменения уровня кальция, ключевого элемента клеточной коммуникации.
Технология также работала внутри живых животных. У мышей зонды метили определенные группы клеток головного мозга и оставались достаточно яркими для глубокой визуализации мозга.
В эмбрионах рыбок данио зонды отслеживали важную систему коммуникации, участвующую в раннем развитии.
Почему многоцветная визуализация важна
Большинство современных систем внутриклеточной визуализации ограничены в цветовом диапазоне, что позволяет отслеживать лишь одно или два молекулярных события. Новая платформа значительно расширяет эти возможности. В одной из демонстраций несколько структур и целевой белок внутри одной и той же клетки были помечены разными цветами и отслеживались одновременно, создавая подробную карту. Заболевания редко затрагивают один процесс. Рак, инфекции и неврологические расстройства поражают множество систем одновременно. Наблюдение за несколькими процессами одновременно дает более полную картину развития заболевания.
Новые горизонты для внутриклеточных антител
Одной из главных проблем, которая остается, является доставка этих флуоресцентных антител in vivo . Однако для биологов это ощутимо. Больше не будет необходимости разрушать клетки для изучения внутриклеточных структур. Флуоресцентные антитела теперь служат проводниками в скрытый мир внутри клеток.
Это третья статья из серии публикаций о наноантителах для медицинского применения.
Эта статья первоначально была опубликована на Forbes.com.