Teraz sytuacja uległa zmianie. Zespół naukowców z Instytutu Józefa Stefana w Słowenii dokonał czegoś, co można uznać za pierwszy krok w kierunku wewnątrzkomórkowej inżynierii. Udało im się wydrukować trójwymiarowe struktury bezpośrednio wewnątrz żyjących ludzkich komórek. To osiągnięcie, które na pierwszy rzut oka brzmi jak magia, opiera się na zaawansowanej technice laserowej. Choć brzmi to futurystycznie, warto od razu zaznaczyć, że od tej fascynującej demonstracji do praktycznych terapii droga jest jeszcze bardzo, bardzo daleka.
Laser który buduje struktury w cytoplazmie. Mikrodrukarka napędzana światłem.
Kluczem do sukcesu jest technika zwana dwufotonową polimeryzacją. Metoda ta nie jest zupełnie nowa, znana jest z produkcji mikroskopijnych elementów optycznych czy rusztowań dla hodowli tkankowych. Słoweńscy badacze zastosowali ją jednak w zupełnie nowym, niezwykle wymagającym kontekście – wewnątrz żywej komórki. Proces zaczyna się od wprowadzenia do komórki HeLa maleńkiej kropli specjalnego, biokompatybilnego fotorezystu. Materiał o nazwie IP-S, o średnicy 10-15 mikrometrów, wstrzykuje się do komórki. Jest on kluczowy – musi być bezpieczny dla komórki zarówno w postaci ciekłej, jak i po utwardzeniu. To, co nie ulegnie polimeryzacji, po prostu się w niej rozpuści, nie szkodząc organizmowi.
Czytaj także: Stworzono sztuczne komórki, które zachowują się jak te prawdziwe
Następnie do akcji wkracza niezwykle precyzyjny laser femtosekundowy. Emitowane przez niego impulsy światła są tak krótkie i skupione, że wywołują reakcję utwardzania materiału tylko w mikroskopijnym punkcie ogniskowym, głęboko w komórce, nie uszkadzając otoczenia. Dzięki temu naukowcy mogą „rysować” światłem trójwymiarowe kształty. Wydruk pełnej struktury o rozmiarze 10 mikrometrów trwa zaledwie od 3 do 10 sekund, a rozdzielczość sięga 260 nanometrów dla ścianek. Najdrobniejsze szczegóły mogą mieć nawet 100 nanometrów. Aby zademonstrować możliwości techniki, badacze wydrukowali wewnątrz komórek miniaturowego słonika, logo instytutu, puste sfery oraz skomplikowane, ażurowe struktury przypominające kratownice.
Komórki adaptują się do obcych ciał. Elastyczność życia w mikroskali.
Obserwacje pod mikroskopem konfokowym przyniosły zaskakujące odkrycia dotyczące reakcji komórek na te mikroskopijne „implanty”. Okazało się, że komórki nie są bezbronne. Ich jądra potrafiły zmieniać kształt, dostosowując się i robiąc miejsce dla wydrukowanego materiału. To fascynujący dowód na ogromną plastyczność i zdolność adaptacji żywych systemów, nawet w obliczu zupełnie nowych, obcych ciał.
Oczywiście, procedura nie jest obojętna dla komórek. Jest inwazyjna i wiąże się z uszkodzeniem błony komórkowej. Po 24 godzinach przeżywało około 55 procent komórek, które poddano pełnemu procesowi drukowania. Dla porównania, samo nakłucie błony (bez wprowadzania materiału i naświetlania laserem) prowadziło do 50-procentowej śmiertelności. Sugeruje to, że głównym czynnikiem stresowym jest fizyczne naruszenie błony, a nie toksyczność samego materiału czy ekspozycja na laser. Komórki, które przeżyły, zachowywały się w dużej mierze normalnie – utrzymywały swój kształt i, co niezwykle ciekawe, kontynuowały podziały. Wydrukowane obiekty były wręcz przekazywane komórkom potomnym podczas mitozy, podróżując między pokoleniami jak niecodzienny spadek.
Nie obyło się jednak bez wpływu na funkcjonowanie. Struktury większe niż 5 mikrometrów powodowały opóźnienie podziału komórkowego o co najmniej godzinę. To ważna obserwacja pokazująca, że nawet nietoksyczne, obce ciało wewnątrz komórki może w subtelny sposób zmieniać jej cykl życiowy. W biologii, gdzie timing jest często kluczowy, taka zmiana nie jest bez znaczenia.
Od kodów kreskowych po mikrolasery. Pierwsze funkcjonalne zastosowania.
Słoweńscy naukowcy nie poprzestali na artystycznych pokazach. Pracują już nad praktycznymi zastosowaniami tej technologii, które mogłyby znaleźć zastosowanie w badaniach naukowych. Jednym z nich są trójwymiarowe kody kreskowe. Tworzone poprzez ułożenie w stos maleńkich cylindrycznych siatek, oferują astronomiczną liczbę około 2×10^18 unikalnych kombinacji. To liczba wielokrotnie przewyższająca ilość wszystkich komórek w ludzkim ciele. Taki niepowtarzalny kod wszczepiony do komórki mógłby służyć do jej precyzyjnego, długoterminowego śledzenia przez wiele pokoleń. Wyobraźmy sobie możliwość oznaczenia pojedynczej komórki nowotworowej i monitorowania całej jej losowej linii potomnej w organizmie.
Innym kierunkiem jest tworzenie wewnątrzkomórkowych urządzeń optycznych. Naukowcy wydrukowali już siatki dyfrakcyjne pozwalające na zdalny odczyt informacji oraz – co brzmi najbardziej fantastycznie – optyczne mikrolasery. Te miniaturowe urządzenia to tzw. rezonatory galerii szepczących o średnicy zaledwie 9 mikrometrów. Po wzbudzeniu zewnętrznym impulsem lasera emitują one spójne światło, działając jak prawdziwy laser w mikroskali.
Wyzwania skalowania i przyszłość technologii. Dlaczego to wciąż eksperyment.
Mimo tych oszałamiających możliwości, obecna metoda ma jedno ogromne, fundamentalne ograniczenie. Wymaga mikroiniekcji – ręcznego, indywidualnego wstrzyknięcia materiału do każdej pojedynczej komórki pod mikroskopem. Czyni to technikę niepraktyczną dla jakiejkolwiek aplikacji wymagającej pracy z milionami komórek, na przykład w przyszłych terapiach. To główna bariera między fascynującym eksperymentem laboratoryjnym a użyteczną technologią.
Czytaj także: Ponad połowy jego genów nie umiemy nazwać. A mimo to może tłumaczyć, skąd wzięły się komórki jak nasze
Dalszy rozwój będzie musiał skupić się na opracowaniu metod masowego, równoległego wprowadzania materiału do ogromnych populacji komórek. Bez tego przełomu technika pozostanie narzędziem badawczym o wąskim zastosowaniu. Wizja precyzyjnego naprawiania uszkodzeń wewnątrz komórek lub instalowania w nich mikroskopijnych czujników i urządzeń jest wciąż odległa. Osiągnięcie ze Słowenii pokazuje jednak, że fizyczna bariera – czyli sam akt precyzyjnego drukowania w cytoplazmie – została pokonana. Udowodniono, że jest to technicznie możliwe. To krok milowy dla bioinżynierii, który otwiera drzwi do nowego obszaru badań. Kolejne kroki, związane z bezpieczeństwem, skalowalnością i prawdziwą terapeutyczną użytecznością, będą jednak wymagały lat ciężkiej pracy i wielu kolejnych przełomów. Na tym etapie możemy zachować umiarkowany optymizm, podziwiając ludzką pomysłowość, ale pamiętając, że od pomysłu do leku droga bywa wyboista i długa.