Testując działanie różnych substancji na organizm należy najpierw wprowadzić je wewnątrz komórki, która chroniona jest błoną komórkową. Błona wyznacza nie tylko granice komórki, ale także odpowiada za ochronę przed szkodliwymi czynnikami. Z zasady jest to wysoce pożądane i umożliwia prawidłowe funkcjonowanie. Niestety wiąże się to także z nie lada wyzwaniem dla naukowców, którzy w ramach swoich badań próbują wprowadzać różnego rodzaju substancje do wnętrza komórki, w celu prześledzenia ich zachowania.

Istotną przeszkodą jest wysoce skomplikowana struktura błony, która zaprojektowana jest w taki sposób, aby przepuszczała jedynie konkretne substancje, na przykład jony, wodę czy inne małe cząstki chemiczne. Służą do tego kanały w błonie komórkowej, z tym że należy zaznaczyć, że każdy z nich przeznaczony jest do transportowania określonej substancji, ze względu na swoje specyficzne rozmiary. I znowu, z zasady jest to jak najbardziej pożądane. Owe kanały można bowiem porównać do małych drzwiczek dla kotów, które montuje się w drzwiach – specjalnie zaprojektowano je w taki sposób, aby mógł przejść przez nie kot, ale już na przykład niekoniecznie niedźwiedź czy łoś. Czasami jednak, oczywiście w celach czysto naukowych, trzeba wpuścić do domu łosia. I tutaj z pomocą przychodzą naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.

Odstawiając na bok barwne porównania, należy zwrócić uwagę na pewną kwestię. Bynajmniej nie jest tak, że naukowcy nie znali do tej pory sposobów pokonywania błony komórkowej – powszechnie stosuje się chociażby metodę mikronastrzyków. Jest to jednak rozwiązanie posiadające istotne wady, takie jak chociażby czasochłonność. Natomiast opracowana przez polskich naukowców pod kierunkiem prof. Roberta Hołysta metoda Cell-IN, która niebawem zostanie opisana bardziej szczegółowo, powstała z potrzeby wyeliminowania powyższych ograniczeń.

Aby zrozumieć zastosowane przez badaczy rozwiązanie, należy najpierw zapoznać się z terminami takimi jak osmoza, roztwór hipotoniczny oraz hipertoniczny. Brzmi strasznie? Bez obaw, na potrzeby tego artykułu można to wytłumaczyć w bardzo prosty sposób.

Osmoza, którą część czytelników być może pamięta z lekcji biologii, polega na tym, że jeżeli mamy dwa roztwory oddzielone półprzepuszczalną membraną, to rozpuszczalnik roztworu o mniejszej gęstości będzie przemieszczał się do roztworu o większej gęstości, tak aby wyrównać stężenie po obu stronach.

Natomiast roztwór hipotoniczny to przykład zastosowania osmozy w praktyce – jest to bowiem taki roztwór, w którym mamy do czynienia z niższym stężeniem związków osmotycznie czynnych niż ma to miejsce wewnątrz komórki. Z kolei w roztworach hipertonicznych sytuacja się odwraca i roztwór na zewnątrz komórki ma większe stężenie niż roztwór znajdujący się w jej wnętrzu.

Tyle jeśli chodzi o definicje. A jak mają się one do opracowanej przez polskich naukowców metody? Już spieszę z wyjaśnieniem. W pierwszej fazie wystawia się komórki na kontakt ze znanym nam już roztworem hipertonicznym. Dzięki temu woda wypływa z komórki, wyrównując ciśnienie osmotyczne, co jednocześnie sprawia, że roztwór wewnątrz komórki (a dokładniej roztwór cytoplazmy) staje się hipotoniczny. To z kolei powoduje rozluźnienie się błony chroniącej komórkę, czyli wcześniej wspomnianego „ochroniarza”. Jeśli w tym momencie ciśnienie osmotyczne jest wystarczająco wysokie, powstaje możliwość wprowadzenia poszczególnych związków wraz z wchłanianym roztworem zawierającym polimery, czyli osiąga się zamierzony efekt. Co istotne, Cell-IN umożliwia dostarczanie także dużych cząstek o wielkości nawet 200 nM, poprawiając jednocześnie skuteczność dotychczas stosowanych metod.

Do tego momentu poruszaliśmy się głównie w materii związanej z biologią, jednak naukowcy podkreślają również znaczenie fizycznego aspektu opracowanej metody. Wskazują oni, że skuteczność przenikania substancji wewnątrz komórki jest ściśle połączona z wielkością i stężeniem znajdujących się w roztworze polimerów, a nie z samą wysokością ciśnienia osmotycznego. Odpowiednie dobranie polimerów umożliwia także niedodawanie sacharozy, która dotychczas była stosowana w tego typu procesach. Innymi słowy, dogłębne zrozumienie aspektu fizycznego ma bezpośrednie przełożenie na biologiczny skutek.

Wszystkie opisane powyżej cechy w połączeniu ze zmniejszoną inwazyjnością, która cechuje metodę Cell-IN były na tyle obiecujące, że naukowcy IChF PAN postanowili skomercjalizować to rozwiązanie i wprowadzić je na rynek.

Bibliografia:

1. Jak wniknąć do komórki?, Nauka w Polsce, online access on 06/10/2022, https://naukawpolsce.pl/aktualnosci/news%2C93915%2Cjak-wniknac-do-komorki-szokujacy-pomysl-polskich-naukowcow.html?fbclid=IwAR3rpB76EN_vNt6Qd_xbzumByRr6HeUpQAKRzIFLtQhsLsEw1rgm4Ur7X8o
2. Karpińska et al. Entanglement of polymer chains in hypertonic medium enhances the delivery of DNA and other biomacromolecules into cells, Journal of Colloid and Interface Science 2022, Vol. 627, Pages 270-282 https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.07.040
3. Nowa Encyklopedia Powszechna PWN, Warszawa 1995, tom 2, str. 758, 760, tom 4 str. 696