Биофизики изучили структуру подложки из полимерных нановолокон и механизм ее взаимодействия с сердечными клетками крыс. Эти исследования проводятся для того, чтобы создать регенеративную 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 российскими коллегами.

Задача регенеративной медицины — это восстановление поврежденных или утраченных органов человеческого организма. Ученым при создании ткани для «заплаток» органов необходимо исследовать не только свойства самих клеток ткани, но и их взаимодействие с подложкой, окружающим питательным раствором и соседними клетками. 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 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.
«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", — говорит руководитель лаборатории Константин Агладзе. — Фибробласты же имеют более жесткую структуру и меньшую площадь взаимодействия с нановолокнами, поскольку опираются на них лишь с одной стороны».

Сначала авторы изучили 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 постепенным «сканированием» по всему ее периметру. Структуры кардиомиоцитов и фибробластов и нановолокна были предварительно помечены флуоресцентными антителами. Ученые получили 3D-изображения клеток и увидели, что оба типа клеток вытянуты вдоль нановолокон и имеют веретенообразную форму. Однако полученные данные не позволили рассмотреть поверхность взаимодействия нановолокон с клетками непосредственно.

Далее исследователи сделали ультратонкие срезы перпендикулярно нановолокнам и сделали «фотографии» методом просвечивающей электронной микроскопии. 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. 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.

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 нанометров. Структуру их поверхностей изучили с помощью кремниевого зонда, а затем виртуально воссоздали.

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 при росте будет прочнее держаться на подложке. Ткань из фибробластов будет менее стабильно держаться на подложке.

Авторы отмечают, что использование дополнительных функций подложки, таких как, испускание регуляторных молекул (белков активирующих процесс роста клеток) тоже будет отличаться у кардиомиоцитов и фибробластов. В случае обволакивающих нановолокна кардиомиоцитов 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.

Также выяснилось, что 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 позволит успешно создавать нановолокна для формирования необходимых свойств клеток и соответственно регенерирующих тканей.