Микроиглы для точечной фиксации, молекулярного анализа и доставки лекарств в клетки разработали ученые физического факультета, факультета фундаментальной медицины и факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова совместно с коллегами из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и Сколковского института науки и технологий. Система кремниевых микроигл, покрытых золотом, надежно фиксирует живые клетки и позволяет анализировать их молекулярный состав с помощью спектроскопии гигантского комбинационного (рамановского) рассеяния света. Ключевое преимущество разработки — сочетание доставки химиотерапевтического препарата и одновременного мониторинга внутриклеточных изменений в реальном времени на уровне одиночной клетки. Результаты исследования опубликованы в авторитетном международном журнале Microchemical Journal (Elsevier).
Микроиглы — это миниатюрные структуры, способные проникать в ткани. Они обеспечивают точную доставку веществ прямо в клетки или их окружение. Благодаря минимальной инвазивности и возможности контролируемой модификации, микроиглы стали важным инструментом в биофизике и медицине. Их используют не только для доставки лекарств через кожу, но и для локального введения генов, белков и других молекул в специфические области, например, в опухоли или мозг. Особенно перспективно сочетание микроигл с сенсорами. Это позволяет в реальном времени наблюдать за молекулярными процессами внутри клеток, открывая новые возможности для персонализированной терапии, диагностики и фундаментальных исследований.
Ученые МГУ создали массивы кремниевых микроигл с короноподобными золотыми наноструктурами на вершинах. Такие структуры не только усиливают локальное электромагнитное поле в 100 миллионов раз, обеспечивая значительное усиление сигнала рамановского рассеяния, но и способны проникать в живые клетки без их разрушения.
«Эта платформа сочетает в себе сразу несколько уникальных возможностей. В её основе лежит эффект комбинационного (рамановского) рассеяния света — это когда лазерный луч взаимодействует с молекулой и рассеивается неупруго, меняя частоту в соответствии с колебаниями химических связей. Полученный спектр — своего рода "молекулярный отпечаток", позволяющий точно определить состав вещества. Однако в чистом виде сигнал рамановского рассеяния очень слабый. Если же наноструктурировать поверхность с использованием плазмонных металлов — например, наночастиц золота, — можно усилить этот сигнал за счёт эффекта поверхностного плазмонного резонанса в десятки и сотни миллионов раз. Это превращает систему в мощный экспресс-сенсор, позволяющий получать спектры с высокой чувствительностью и пространственным разрешением», — рассказала заведующая лабораторией кафедры медицинской физики физического факультета МГУ Л.А. Осминкина.
Микроиглы позволяет надёжно удерживать живые клетки на своей поверхности, ограничивая их подвижность, но не нарушая жизненных функций. Это особенно важно, если мы хотим наблюдать за клеткой в течение долгого времени и при этом быть уверенными, что она остаётся живой. Уникальность разработки в том, что она не только фиксирует клетки, но одновременно позволяет доставлять внутрь них лекарства — например, доксорубицин, широко используемый в химиотерапии.
Как это работает? Учёные предварительно насыщают микроиглы препаратом, а затем высаживают на них клетки. Через некоторое время в спектрах рамановского рассеяния появляются характерные сигналы, указывающие на начало токсического действия — то есть лекарство попало в клетку и начало работать. Всё это можно отследить в реальном времени, без использования флуоресцентных меток и без повреждения клеточной мембраны. По сути, мы получаем молекулярную "ленту новостей" прямо из живой клетки — до, во время и после действия лекарства.
«Живые клетки — очень подвижные объекты. Даже в чашке Петри, на поверхности стекол, они постоянно перемещаются, и за то время, пока вы настраиваете лазер для съёмки, клетка может просто “уползти” из-под луча. А если вы хотите не просто один раз измерить спектр, а проследить, как меняется молекулярный состав одиночной клетки во времени — задача становится почти невыполнимой. Наша система решает эту проблему. Мы аккуратно фиксируем клетку с помощью золотосодержащих микроигл, не нарушая её жизнеспособности. Клетка остаётся живой и активной — но больше не двигается. Это позволяет регистрировать её молекулярный отклик на воздействие препаратов в реальном времени и с высокой точностью. Более того, благодаря эффекту гигантского комбинационного рассеяния, мы можем отслеживать даже малые изменения состава клетки буквально за секунды, без каких-либо меток или разрушения клетки», — подчёркивает Л.А. Осминкина.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 24-15-00137) и Научно-образовательной школы МГУ «Фотоника» (23-SCH06−19).
Источник изображения: Microchemical Journal, Volume 215, August 2025, 114178
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
