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
213 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.
Сегодня, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

7 часов назад
7 минут
Василий Парфенов

С момента появления систем автономного вождения многие задавались вопросом: а как они будут выглядеть в идентичных условия? К счастью, у нас наконец-то появилась возможность сравнить два самых известных автомобильных автопилота: системы разработки Tesla и Waymo — дочерней структуры Alphabet, владеющей Google. Машины проехали по одному маршруту, но сделали это совершенно по-разному, что весьма удивляет.

7 часов назад
10 минут
Мария Азарова

Исследование предоставило доказательства более плохого состояния костей тех, кто придерживается веганской диеты. Также исследователи обнаружили комбинацию биомаркеров, связанных с питанием, которые могут способствовать здоровью костной ткани.

2 марта
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

2 марта
5 минут
Сергей Васильев

Моделирование показало, что через миллиард лет атмосфера нашей планеты переживет резкие изменения и потеряет весь свой кислород, отбросив жизнь к древнейшим анаэробным формам.

Сегодня, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: