Новые исследования ученых из США показывают, что отдельные наноматериалы, имеющие длинную структуру, например, такие как нанотрубки и нанопровода, проникают в биологические клетки острием, располагаясь под углом, который чаще всего равен 90 градусам. Подобная ориентация означает, что клетка как бы «ошибочно принимает» длинную цилиндрическую структуру нанообъекта за сферу («видя» только закругленное острие, но не структуру, расположенную за ним), поглощая его с самыми неприятными для себя последствиями. Результаты данных исследований помогут в будущем проектировать более безопасные и менее токсичные для биологических тканей наноматериалы.

Биологические клетки поглощают объекты, расположенные в окружающей их среде в рамках процесса, известного как эндоцитоз. Частицы попадают внутрь клетки, а затем распадаются.

Процесс несколько видоизменяется, когда речь идет об одномерных длинных наноструктурах, например, нанотрубках, нанопроводах или нановолокнах. Исследования, проведенные различными методами оптической микроскопии, показали, что нанотрубки чаще всего проникают внутрь биологических клеток в первую очередь своим закругленным острием. Более того, эти результаты были подтверждены на наноуровне группой исследователей из Brown University (США) при помощи одной из разновидностей автоэмиссионной сканирующей туннельной микроскопии.

Ученые обнаружили, что большая часть наноструктур циллиндро-подобной формы проникает в биологические клетки перпендикулярно к ее мембране. Нанотрубка, приближающаяся к клетке под меньшим углом (допустим, 30 градусов), будет вращаться таким образом, чтобы этот угол приблизился к 90 градусам. Только в этом случае ее закругленный конец сможет проникнуть через клеточную мембрану.

Для объяснения этого явления исследователи выдвинули теорию о том, что клетки ошибочно «принимают» нанотрубки, расположенные перпендикулярно к своей поверхности за сферические, а не цилиндрические частицы. Начинается процесс поглощения. Когда оказывается, что нанотрубка не может быть полностью поглощена клеткой, возникает отклик иммунитета, который может вызвать воспаление. Для подтверждения этой теории команда ученых провела так называемое CGMD-моделирование (coarse-grained molecular dynamics) взаимодействия нанотрубки с двухслойной липидной поверхностью, сформированной из дипальмитоилфосфатидилхолина (или ДПФХ). Исследователи обнаружили, что рецепторы (функцию которых в реальных клетках выполняют белки) диффундируют от поверхности и группируются вокруг нанотрубки. Впоследствии они прикрепляются к поверхности, как бы «втаскивая» нанотрубку внутрь клетки, пока двойной липидный слой оборачивается вокруг нее.

Наиболее вероятная причина подобного явления заключается в том, что угол в 90 градусов минимизирует энергию, необходимую для поглощения наноструктуры. По мнению ученых, вращение нанотрубок, приближающихся к клетке под другим углом, вызвано появлением крутящего момента со стороны изогнутой клеточной мембраны, когда такая структура начинает поглощаться.

Исследователи провели симуляции для нанотрубок различного диаметра и длины. В целом процесс выглядел одинаково. Однако они обнаружили, что нанотрубки с открытыми концами вообще не проникают внутрь клеток. Ученые объясняют это тем, что на открытых нанотрубках не хватает атомов углерода на конце, которые могли бы связываться с рецепторами клетки.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Nanotechnology. Данная работа показывает, насколько важную роль в биологических исследованиях играет геометрия зонда. С ее помощью можно управлять природой взаимодействия одномерных наноструктур и биологических клеток.