Кластеры бора доставляют лекарства внутрь клеток

Чтобы транспортировать молекулу внутрь клетки, обычно используют амфифильные молекулы, ионная головная часть которых гидрофильная, а хвост — гидрофобный. Такая структура позволяет им проникать через двойной липидный слой мембраны: хвост заякоривается в мембране, а головная часть электростатически притягивает груз — молекулу лекарства или другого вещества. В итоге заряд получается нейтральным, и груз может переноситься в клетку. Но у таких методов есть недостатки: молекулы-переносчики могут образовывать агрегаты с грузом и не «отдавать» его внутри клетки, либо, наоборот, груз отсоединяется раньше, чем нужно. Некоторые переносчики токсичны или повреждают мембраны из-за большого размера.

Исследователи из Германии и Испании предлагают использовать молекулы-доставщики принципиально нового типа — глобулярные кластеры бора. Это стабильные анионы с постоянным зарядом (2-), слабыми лигирующими свойствами и высокой биосовместимостью. Раньше подобные кластеры уже применяли для терапии рака. Авторы новой работы идентифицировали бромированные кластеры бора B₁₂Br₁₂^2– как суперхаотропные — это значит, что по свойствам они напоминают ионные гидрофобные частицы, хотя отличаются от них структурно и химически. Из-за своей суперхаотропности они могут связываться с гидрофобными областями, к которым относится и липидный бислой — основа клеточной мембраны.

Так ученые предположили, что кластеры бора и, возможно, другие большие ионы с суперхаотропными свойствами могут проникать через мембраны и переносить гидрофильные молекулярные грузы — лекарства, пептиды и т.д.

Чтобы проверить эффективность новых переносчиков, авторы использовали модельные мембраны (фосфохолиновые липидные везикулы). С помощью флуоресцентного анализа HPTS/DPX (зонд/гаситель; см. рис. 2 в статье) оценивали активацию транспорта пептидов. Кластеры бора переносят груз в везикулы и затем транспортируют наружу катионный гаситель DPX — это приводит к усилению флуоресценции HPTS как оптическому сигналу успешного транспорта груза. В качестве переносчиков кроме бромированных кластеров бора оценивали водородные, йодированные и хлорированные кластеры бора, но только B₁₂Br₁₂^2– показал высокую эффективность.

Авторы выдвинули гипотезу «широкополосного носителя», согласно которой хаотропные кластеры способны переносить не только катионный, но и нейтральные грузы. Для проверки гипотезы использовали молекулы с разными зарядами, которые не могут сами проникнуть через мембрану: ацетилхолин и аминокислоты, витамины, антибиотики, нервно-мышечные блокаторы и белки.

Кластер B₁₂Br₁₂^2– успешно транспортировал многие типы грузов: положительные, незаряженные, цвиттерионные молекулы, молекулы разных размеров — от небольших, как ацетилхолин (молекулярная масса 146 Да), до полипептидов, таких как протамин (молекулярная масса 4500 Да). Не вышло транспортировать только отрицательно заряженные молекулы глутамата и альбумина.

Дальше ученые проверили кластеры бора на живых клетках HeLa. Для визуализации использовали конфокальную флуоресцентную микроскопию, а в качестве груза — меченый карбокситетраметилродамином пептид R8 (TAMRA-R₈). В присутствии B₁₂Br₁₂^2– в цитозоле и ядре клеток исследователи зарегистрировали диффузную флуоресценцию — активность переносчика была достаточной.

В экспериментах на везикулах ученым удалось транспортировать через мембрану незаряженный гидрофильный гептапептид фаллоидин — быстродействующий токсин бледной поганки, который известен своей способностью связываться с F-актином цитоскелета. Его используют для визуализации актиновых филаментов в фиксированных клетках, но через мембраны живых клеток он проникает с трудом. Доставлять его стандартными способами сложно — нужно либо добавлять порообразующие токсины, либо как-то еще повреждать мембрану. А вот кластеры бора успешно перенесли фаллоидин не только в везикулы, но и в клетки HeLa, клетки гипоталамуса мыши, пигментный эпителий сетчатки человека и клетки альвеолярной карциномы легкого человека А549.

Также авторы показали, что кластеры бора могут доставлять в клетки HeLa PROTAC (протеолитические химеры, используемые для удаления нежелательных белков из клетки), а в клетки резистентных бактерий E. coli — антибиотик канамицин А. Этот антибиотик связывается с рибосомной субъединицей 30S, но для этого должен проникать внутрь клетки. Когда ученые просто воздействовали на бактерии антибиотиком, выжило 60%, но в присутствии кластерного носителя погибали почти все бактерии.

Новый носитель может найти применения не только в разработке лекарственных препаратов, но и в клеточной биологии, нейробиологии, физиологии.