В МФТИ исследовали нанокаркас для клеток сердца — Naked Science
13 минут
ФизТех

В МФТИ исследовали нанокаркас для клеток сердца

4.2

Ученые провели исследования на крысах с целью создания регенеративной ткани сердца.

В МФТИ исследовали нанокаркас для клеток сердца / ©my.ua

Биофизики изучили структуру подложки из полимерных нановолокон и механизм ее взаимодействия с сердечными клетками крыс. Эти исследования проводятся для создания регенеративной ткани сердца. Ученые выяснили, что мышечные клетки — кардиомиоциты — при росте обволакивают нановолокна, а клетки соединительной ткани — фибробласты — опираются на нановолокна с одной стороны. Статья с результатами опубликована в журнале Acta Biomaterialia. Работа была проведена в лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ в сотрудничестве с коллегами из ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр трансплантологии и искусственных органов им. В. И. Шумакова» и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН в городе Пущино.

В МФТИ исследовали нанокаркас для клеток сердца
Руководитель исследования, профессор МФТИ Константин Агладзе

Руководитель лаборатории биофизики возбудимых систем МФТИ, профессор Константин Агладзе рассказывает: «При помощи трех независимых методов мы показали, что кардиомиоциты, развиваясь на подложке из нановолокон, покрывают их со всех сторон и в большинстве случаев приобретают форму «футляра». Фибробласты же имеют более жесткую структуру и меньшую площадь взаимодействия с нановолокнами, поскольку опираются на них лишь с одной стороны».

Задачей регенеративной медицины является восстановление поврежденных или утраченных органов человеческого организма. Тканевая инженерия часто является единственным способом, позволяющим восстановить функции такого важного органа, как сердце, и добиться реабилитации человека. Ученым при создания ткани для «заплаток» органов необходимо исследовать не только свойства самих клеток ткани, но и их взаимодействие с подложкой, окружающим питательным раствором и соседними клетками.

Рисунок 1. Изображения, полученные с помощью конфокальной лазерно-сканирующей микроскопии сердечных клеток при рассмотрении 1) кардиомиоцита, 2) фибробласта
Рисунок 1. Изображения, полученные с помощью конфокальной лазерно-сканирующей микроскопии сердечных клеток при рассмотрении 1) кардиомиоцита, 2) фибробластаПравильная опора — залог успеха

Основополагающую роль при росте, развитии и формировании регенерирующей ткани играет подложка, на которой выращиваются клетки. Исследователи выращивают клетки сердечных тканей на матрице из полимерных нановолокон. Последние могут иметь различную эластичность, электропроводимость и дополнительные «умные» функции, позволяющие в определенный момент развития клеток выпускать молекулы активных веществ. Нановолокна призваны имитировать внеклеточный матрикс — внешнюю поверхность клеток, осуществляющую структурную поддержку. Кроме этого, через них можно вводить вещества для биохимического воздействия на окружающие клетки. Поэтому для правильного выбора свойств нановолокон, приближающих искусственную систему к структурам in vivo (то есть «внутри живого организма»), необходимо изучить механизм их взаимодействия на наноуровне.

Рисунок 2. Изображение кардиомиоцита, обволакивающего нановолокно подложки в разрезе. Изображение получено методом просвечивающей электронной микроскопии. 1 — кардиомиоцит, 2 — нановолокно в разрезе
Рисунок 2. Изображение кардиомиоцита, обволакивающего нановолокно подложки в разрезе. Изображение получено методом просвечивающей электронной микроскопии. 1 — кардиомиоцит, 2 — нановолокно в разрезе

Что под микроскопом?

Для определения структуры и механизма взаимодействия сердечных клеток и нановолокон последовательно проводились три этапа исследований.

Сначала ученые рассмотрели строение кардиомиоцитов и фибробластов, выращенных на подложке из нановолокон с помощью конфокальной лазерно-сканирующей микроскопии. Этот метод основан на точечной подсветке мельчайших сегментов клетки, дающих изображения микрометровых частей, и постепенном «сканировании» по всему ее периметру. Структуры кардиомиоцитов и фибробластов (ядро, компоненты цитоскелета эукариотических клеток) и нановолокна были предварительно помечены флюоресцентными антителами. Ученые получили 3D-изображения клеток и увидели, что оба типа клеток вытянуты вдоль нановолокон и имеют веретенообразную форму (рис. 1). Однако полученные данные не позволили рассмотреть непосредственно поверхность взаимодействия нановолокон с клетками.

Рисунок 3. Изображение фибробласта в разрезе, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии. 1 — клетка фибробласта, 2 — нановолокно, er — эндоплазматический ретикулум, N — ядро
Рисунок 3. Изображение фибробласта в разрезе, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии. 1 — клетка фибробласта, 2 — нановолокно, er — эндоплазматический ретикулум, N — ядро

Далее исследователи произвели  ультратонкие срезы перпендикулярно направлению нановолокон и сделали «фотографии» методом просвечивающей электронной микроскопии. В ходе исследования через нарезанные образцы пропускался пучок электронов, а приемник, находящийся за объектом, фиксировал достигшие его электроны. Количество долетевших до приемника электронов зависит от свойств и толщины материала. Различные клеточные структуры неодинаково поглощают проходящий пучок электронов. Биофизики увидели, что кардиомиоциты охватывают нановолокна со всех сторон, оставляя их посередине клетки. Однако при этом нановолокна все же полностью отделены от клеточной цитоплазмы мембраной (рис. 2).

Фибробласты не обволакивают нановолокна, а лишь опираются на них с одной стороны. Также на микрофотографиях электронной микроскопии видно, что ядра фибробластов менее эластичны по сравнению с другими клеточными структурами, что уменьшает пластичность клеток и способность к растяжению вдоль нановолокон (рис. 3).

Рисунок 4. 3D-модель кардиомиоцита, обволакивающего нановолокна, полученная методом зондовой томографии наносрезов клетки
Рисунок 4. 3D-модель кардиомиоцита, обволакивающего нановолокна, полученная методом зондовой томографии наносрезов клетки

Просвечивающая электронная микроскопия позволила увидеть, что происходит на срезе. С помощью зондовой томографии ученые создали полноценную 3D-модель. Клетки, выросшие на подложке из нановолокон, были нарезаны на пластины толщиной 120 нм. Структуру их поверхностей изучили с помощью кремниевого зонда, а затем виртуально  воссоздали (рис. 4).Повышенное сцепление кардиомиоцитов

Исследователи выделили несколько важных аспектов механизма взаимодействия клеток с подложкой.

Во-первых, повышенная механическая адгезия — сцепление подложки из нановолокон и кардиомиоцитов — способствует стабильности клеток на подложке. Значит, сердечная ткань (кардиомиоциты) при росте будет прочнее держаться на подложке. Ткань из фибробластов будет менее стабильно держаться на подложке.

Второе, что следует из результатов исследования: использование дополнительных функций подложки, таких как испускание регуляторных молекул (белков, активирующих процесс роста клеток) тоже будет отличаться у кардиомиоцитов и фибробластов. В случае кардиомиоцитов, обволакивающих нановолокна, испускаемое вещество будет полностью и без потерь диффундировать через клеточную мембрану в цитоплазму. А для фибробластов необходимо учитывать потери за счет диффундирования в среду, окружающую клетки при росте.

И третье: кардиомиоциты полностью обволакивают нановолокна и изолируют их от жидкости, в которой они развиваются. Поэтому полное погружение нановолокон в клетки кардиомиоцитов, ответственных за передачу электромагнитных волн и, соответственно, за сокращения сердца, позволит тестировать электрическую проводимость клеток.

Данное исследование и дальнейшее понимание механизма взаимодействия сердечных клеток с подложкой позволят успешно создавать нановолокна для формирования необходимых свойств клеток и, соответственно, регенеративных (регенерирующих) тканей.
 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
202 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 10:41
5 минут
Сергей Васильев

Последствия укуса инвазивных «ложных вдов» обычно проходят в течение нескольких часов, но в некоторых случаях могут приводить к заражению и стать смертельно опасными.

Позавчера, 18:58
8 минут
Мария Азарова

На «Романцевских горах» в Тульской области нашелся еще один серебристый «монолит». Однако теперь мы знаем, кто его создал — и с какой целью.

Позавчера, 20:42
2 минуты
Илья Ведмеденко

По данным источника в судостроительной отрасли, ходовые испытания модернизированного авианосца «Адмирал Кузнецов» должны начать в 2022 году. Одним из улучшений станет установка новых главных котлов.

30 ноября
5 минут
Василий Парфенов

Пилотируемый глубоководный аппарат «Фэньдоучжэ» опустился на глубину 10 909 метров в Марианскую впадину. Во время этого погружения впервые осуществлялась прямая трансляция фото и видео на поверхность.

2 декабря
2 минуты
Илья Ведмеденко

По мнению американского предпринимателя, первые люди смогут отправиться на Красную планету в течение шести лет. Запустить к Марсу космический корабль в беспилотном режиме Маск планирует не позднее 2022 года.

1 декабря
7 минут
Василий Парфенов

История одного из главных научных инструментов человечества завершилась сегодня, 1 декабря. Сбылись самые мрачные опасения пытавшихся сохранить радиотелескоп «Аресибо» инженеров — огромный облучатель рухнул на главное зеркало.

14 ноября
35 минут
Василий Парфенов

На вопрос, кто проживает на дне океана, люди отвечают по-разному. Дети и некоторые взрослые скажут: Губка Боб Квадратные Штаны. Фанаты Лавкрафта благоговейно, но с огоньком в глазах пробормочут нечто вроде «Ктулху фхтагн». А подводники и океанологи задумчиво посмотрят на вопрошающего и, если повезет, расскажут много интересного. Про квакеров, «биоуток», «блуп» и еще Посейдон его знает какие аномальные явления подводного мира.

22 ноября
26 минут
Александр Березин

Планеты вокруг нашего Солнца расположены совсем не так, как в других системах. И это имеет крайне необычные практические последствия: расчеты показывают, что вокруг нашей звезды должны вращаться две потенциально обитаемые планеты, а не одна, как сейчас. Одна из них куда-то бесследно исчезла – и это еще в лучшем случае. Рассказываем, почему так получилось и кто конкретно в этом виноват.

24 ноября
8 минут
Мария Азарова

Попадание патогена в эпителий слизистой дыхательных путей и захват вирусом бокаловидных клеток приводит к нарушению слизистого барьера. Из-за уменьшения количества муцина снижается не только обонятельная чувствительность, но и возникают неприятные ощущения в носу и рту, в том числе сухость.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: