ТОП 10 лучших статей российской прессы за
Ноя. 1, 2022

Как отделить клетку от клетки

На самом деле наука уже давно изучает одиночные клетки — с тех пор, как стало возможным увидеть их в микроскоп. Но просто в микроскоп мы разглядим разве что какие-то особенности их строения. Микроскопия, безусловно, помогает сделать кое-какие выводы о том, как клетка живёт и работает. Однако это будет не полная картина.

Есть большой комплекс методов, позволяющих изучать физиологию отдельной клетки, — например, способность генерировать и проводить сигнал. Нейробиологи уже давно умеют изучать электрические свойства не просто одного-единственного нейрона, но и его отдельных отростков. Правда, это сравнительно обособленная область, и касается она только одного аспекта жизни клетки. В любом случае «электрические» особенности нейронов зависят от того, какие гены и когда у них включаются и какие белки в них содержатся.

Сейчас у биологов всё чаще возникает потребность получить молекулярный портрет индивидуальной клетки, причём желательно, чтобы этот портрет состоял не из одного-двух белков или генов, а из максимально полного их набора.

Чтобы иметь возможность изучать клетки по отдельности, необходимо решить целый ряд задач. Для начала нужно достать одну-единственную клетку из толщи ткани. Как это сделать? Например, нарезать ткань на тончайшие слои, чтобы отдельный срез был не толще нескольких десятков микрометров, и уже из одного такого среза вытащить нужную клетку. Её ищут под микроскопом, у которого есть лазерная установка, — именно лазер поможет отделить клетку от соседей. Лазерный «нож» достаточно тонок, чтобы не повредить ту клетку, которую выбрали.

Но как достать вырезанную клетку? Здесь приходит на помощь тот же лазер в виде лазерного пинцета: расфокусированный, чтобы не навредить клетке, пучок света выталкивает её из слоя давлением фотонов. Другой способ — дать вырезанной клетке упасть под действием силы тяжести. Наконец, есть ещё вариант, когда до вырезанной клетки дотрагиваются специальным легкоплавким полимером: его облучают инфракрасным светом, полимер размягчается и прилипает к клетке, а дальше остаётся только достать её.

Подобные манипуляции получили название лазерной захватывающей микродиссекции, хотя, может быть, удачнее было бы назвать это лазерной микродиссекцией с захватом (LCM, laser capture microdissection). Диссекция означает «препарирование», «рассечение», «разрез», но надо не просто разрезать и рассечь биологическую ткань, а одновременно захватить клетку, чтобы изучить её саму по себе, без соседей.

Можно обойтись без лазера, если оснастить микроскоп манипулятором с двумя микропипетками. Одна пипетка будет выдувать воздух, другая — всасывать. Глядя в микроскоп на срез ткани и управляя пипетками, нужную клетку в прямом смысле высасывают из ткани.

Если клетку извлекают с помощью микроманипуляции или лазерной диссекции, то чётко видно, откуда её достали. И это плюс. Но у микроманипуляции и диссекции есть один существенный минус — низкая пропускная способность. Иными словами, выковыривая клетки поштучно, много их не получишь. Поэтому, если требуется сразу много одиночных клеток, используют другие методы, в которых сначала создают клеточную суспензию (взвесь), механическими и химическими способами разрушая связи клеток друг с другом и с твёрдым субстратом, если они на нём сидели.

Клетки держит вместе межклеточное вещество или специальные соединительные белки, и разъединить их можно ферментами, которые осторожно разрушат крепёжные молекулы. Конечно, отделять клетки друг от друга нужно так, чтобы не повредить их мембраны.

Затем клеточную взвесь отправляют в микрофлюидное, или микропоточное, устройство, в котором клетки двигаются по очень тонким микрокапиллярам. Между стенками микрокапилляра может поместиться только одна клетка — значит, по капилляру они идут строго друг за другом.

Дальше могут быть разные варианты. Например, в микрокапилляре делают мембранные клапаны, которые то перегораживают капилляр, то открывают его. С помощью таких клапанов можно отделить клетки друг от друга. Не обязательно следить за ними напрямую: известно, что поперёк капилляра не может поместиться больше одной клетки, известен диаметр капилляра и скорость, с которой движется по нему жидкость с клетками, — значит, можно рассчитать частоту, с которой должны работать разделяющие клапаны.

Другой способ разделить клетки в системе капилляров — это смешать их с гидрофобной жидкостью. Капилляр, по которому идёт жидкость с клетками, пересекается с другим капилляром, по которому идёт гидрофобная жидкость — её можно назвать маслом. Масло делит жидкость с клетками на множество капель с одной-единственной клеткой в каждой капле. Затем эти шарики, окружённые маслом, отправляются в реакционные микроёмкости — в каждую ёмкость попадёт по одной капле с одной клеткой.

Ещё один вариант — движение потока жидкости с клетками над поверхностью с множеством впадинок-гнёзд. В каждом гнезде помещается только одна клетка; если какая-то одна попала в определённую впадинку, то другая клетка сюда уже не поместится и пойдёт дальше, до свободного гнезда. Так все клетки в суспензии сами распределяются по одиночным гнёздам.

Иначе сортируются клетки в методах, опирающихся на проточную цитометрию (см. статью «Управление полом», «Наука и жизнь» № 12, 2019 г.). Здесь жидкость с клетками течёт мимо специального датчика, отсчитывающего пробегающие перед ним клетки. Клетки выстраиваются в устройстве одна за другой благодаря так называемой гидродинамической фокусировке. В проточном канале есть внутренняя струя жидкости с клетками и внешняя, или струя-оболочка, которая бежит вплотную к стенкам канала, — за счёт особенностей гидродинамики одной и другой струи они не смешиваются, а клетки во внутренней струе начинают двигаться поодиночке. На шеренгу клеток падает луч лазера, который отмечает каждую клетку и попадает в фотоприёмник. Фотоприёмник может просто считать клетки — изначально проточную цитометрию для этого и придумали. Но потом появились модификации метода, позволяющие клетки не просто считать, но и сортировать. При сортировке клетки проходят через вибрирующий носик, который заключает каждую клетку в отдельную каплю жидкости. Если в капле находится клетка одного типа, то такой капле сообщают электрический заряд, после чего она проходит через электромагнитное поле, изменяющее движение заряженных частиц, и попадает в ёмкость для клеток своего типа. Если же в капле находится клетка другого типа, то каплю или не заряжают, или заряжают противоположным по знаку зарядом, и она попадает в другую ёмкость.