Сотрудники Таллиннского технического университета и компании CellIn Technologies (Эстония) совместно с Фондом Университета Аалто (Финляндия) и Университетом ИТМО разработали трехмерную матрицу, которая воссоздает естественную внеклеточную среду, необходимую для развития тканей.
Для создания матрицы ученые использовали керамические нановолокна, на которые был нанесен тонкий графеновый слой. Оказалось, что при помощи такого каркаса можно моделировать поведение различных видов клеток, в том числе стволовых и раковых. Новая матрица может быть полезна в целом спектре приложений, включая клеточную биологию, создание лекарств, тканевую инженерию, изучение распространения опухолевых клеток и дифференцирования стволовых клеток.
Исследователи дали графеновой матрице имя «GAIN» (Graphene-Augmented Inorganic Nanofibres — графен-дополненные неорганические нановолокна). Матрица обладает специальной наноструктурированной поверхностью, которая позволяет клеткам цепляться за нее, что стимулирует их рост. Кроме того, каркас обеспечивает межклеточные взаимодействия, отвечающие за превращение стволовых клеток в специализированные.
«Созданная нами гибридная высокопористая матрица сочетает в себе набор свойств, имитирующих живую природу, — отмечает Ирина Хуссаинова, профессор Таллиннского технического университета и Университета ИТМО. — Матрица способна избирательно управлять стимулами, направленными на дифференциацию стволовых клеток, изменять иммунные реакции и локально обездвиживать раковые клетки. Это открывает новые перспективы для проведения экспериментов in vitro, применительно к таким областям, как дерматология, неврология, восстановление слуха, печени и почек, а также к разработке лекарств против болезней Альцгеймера и Паркинсона».
Сейчас биотехнологи практикуют дорогие и длительные испытания на животных, за которыми следуют еще более дорогие и длительные клинические испытания. Это происходит потому, что среду и условия для развития клеток очень трудно воссоздать искусственно. Однако разработка ученых может помочь решить эту проблему.
Новая подложка также дает возможность оценивать поведение клеток в контролируемых условиях. Изменение параметров эксперимента в широких пределах помогает более точно воссоздавать межклеточное взаимодействие. Так, ученые показали, что графеновая матрица способна ориентировать в нужном направлении человеческие стволовые клетки, способные превращаться в нервные и мышечные ткани. Особенность подложки также в том, что она проводит электрический ток. Это свойство позволяет объединять нервные клетки в нейронные сети.
«Формирование функциональных связей между нейронами является важнейшей задачей регенеративной терапии и в то же время — самой большой ее проблемой. Графеновая матрица успешно справилась с этим вызовом и подтвердила, что способна помочь в лечении травмированной нервной системы», — говорит Ирина Хуссаинова.
Еще одно применение матрица продемонстрировала при изучении развития опухолей. Ученые культивировали раковые клетки молочной железы на две подложки с различным расположением волокон. В образцах наблюдалось интенсивное проникновение раковых клеток в матрицу, формирование микроскопических спаек и выростов, что свидетельствует о местном обездвиживании клеток. Таким образом, ученые получили точную трехмерную модель опухоли в лабораторных условиях, что открывает новые пути в области 3D-моделирования и терапии рака.
Статья: Jekaterina Kazantseva, Roman Ivanov, Michael Gasik, Toomas Neuman and Irina Hussainova, Graphene-augmented nanofiber scaffolds demonstrate new features in cells behavior, Scientific Reports, 2016, doi: 10.1038/srep30150
