Несмотря на постоянное изучение биологии человека, многие процессы, происходящие в организме, пока не до конца изучены. В частности, не до конца понятно, как различные аминокислоты и другие вещества в организме влияют на процесс роста и заживления костей.
«Сегодня ученых интересует понимание, как аминокислоты, гормоны, витамины влияют на разные процессы в нашем организме и тканях, — рассказывает доцент-исследователь Университета ИТМО Светлана Уласевич, — существует гипотеза, что аминокислоты могут способствовать биоминерализации и стабилизации гидроксиапатита, — фосфата кальция, образующего наши кости».
Клеточный инкубатор
Полноценно изучать этот процесс in vivo, то есть непосредственно в организме человека, очень сложно. Поэтому крайне важно иметь лабораторную модель, среду, напоминающую по своим физическим свойствам живые ткани. Ученые ИТМО создали структуру, напоминающую по упругости и кислотно-щелочному балансу тело человека.
«Мы предложили модельную систему для изучения процесса образования кости, — добавляет Светлана Уласевич, — в нашем организме кость формируется в определенной органической матрице, состоящей в основном из коллагена, желатина и окружающих тканей. В лаборатории мы также формируем матрицу из агара, растительного аналога желатина. Мы также формируем в этой среде фосфаты кальция, изучаем как они образуются и за счет чего. Мы можем получать из них структуры с разными свойствами. Дальше на этот материал мы капаем культуру клеток и можем изучать процесс роста клеток костной ткани».
Первые опыты были проведены с особыми клетками мышечной ткани С2С12. Эти клетки могут дифференцироваться, проще говоря превращаться, либо в клетки кости, либо становиться частью мышечной ткани, в зависимости от того, что необходимо организму.
Фундаментальные и прикладные задачи
Использовать предложенную модель можно для двух задач. Во-первых, для проведения фундаментальных исследований в области биохимии роста клеток. Это необходимо чтобы лучше понимать, как растет кость, почему в этом процессе может возникнуть сбой и как предотвратить многие заболевания костной ткани.
«Если мы поймем, как формируется кость, как та или иная молекула воздействует на поведение наших клеток, то мы сможем придумать новые способы лечения и профилактики разных заболеваний, таких как остеопороз или остеомиелит», — объясняет Светлана Уласевич.
Кроме того, полученные модельные системы можно использовать для создания клеточных структур, что может найти свое применение в 3D-биопечати, а также для создания структур с различными свойствами на одном и том же образце.
«Мы уже обнаружили интересный эффект, — объясняет Уласевич, — когда изучали рост клеток на предварительно сформированных узорах из фосфатов кальция. Наша модельная система имеет узор в виде концентрических колец. Так вот, клетки «предпочитают» расти именно на кольцах. Мы сеем клеточные структуры по всей площади, а формируется ткань в первую очередь на кольцах. То есть наш материал позволяет нам создавать клеточные узоры нужной нам формы. Это может в будущем стать основой для «умных» ранозаживляющих поверхностей, которые будут способствовать заживлению ткани в строго определенных местах».
Материал опубликован в журнале Advanced NanoBiomed Research.
Mervat M. Eltantawy, Mikhail A. Belokon, Elena V. Belogub, Olesia I. Ledovich, Ekaterina V. Skorb, and Sviatlana A. Ulasevich. Self-Assembled Liesegang Rings of Hydroxyapatite for Cell Culturing. Advanced NanoBiomed Research, 2021/10.1002/anbr.202000048
