Чтобы работать с культурами клеток тканей и органов или микроорганизмами, необходимо соблюдать особые условия в помещении: поддерживать стерильность и определенную температуру, очищать воздух, использовать специализированную одежду для сотрудников. Для этого эксперименты проводят в культуральных боксах — стационарных изолированных лабораториях, в которых поддерживают нужные условия. Проблема таких помещений в том, что они стационарные и плохо подходят для обучения, так как в них одновременно может находиться очень мало людей.

Что придумали в ИТМО

Чтобы решить эту проблему, ученые ИТМО совместно с партнерами разработали мини-лабораторию для проведения экспериментов с клетками и бактериями. Проект представили на площадке Национального медицинского исследовательского центра им. В.А. Алмазова. Сборно-разборная мини-лаборатория имеет форму куба, а в высоту, длину и ширину составляет три метра. В ней находится оборудование для культивирования клеток: ламинарный бокс (лабораторный шкаф для работы с биологическими объектами в стерильных условиях), термостат, СО2-инкубатор, микроскоп, холодильник, водяная баня, центрифуга. Также в лаборатории можно установить роботизированную платформу для анализа материалов с помощью атомно-силовой микроскопии. Куб снабжен системами автономной вентиляции и дополнительной стерилизации — воздушными фильтрами высокой эффективности. Мини-лаборатория подходит для решения нескольких задач.

Обучение. Куб не нужно встраивать в помещение и систему вентиляции, как обычные культуральные боксы, а можно собрать в любой комнате. Кроме того, куб прозрачен со всех сторон и оборудован камерами, которые транслируют работу в лаборатории. Благодаря этому такую разработку смогут использовать в школах и вузах, чтобы демонстрировать эксперименты школьникам и студентам.

Исследования. В кубе можно работать с двумя типами клеток: эукариотическими (ядерными) и бактериальными (безъядерными). С ними проводят разные эксперименты: не только выращивают, но и учатся программировать поведение клеток и бактерий с помощью различных подходов.

Для этого ученые ИТМО используют различные типы клеточных культур. Клетки культивируют на биополимерных изделиях и изучают реакцию, их совместимость с материалами. Это позволит оптимизировать клеточные реакции при помощи управления структурой материалов и найти новые решения для регенеративной медицины. В частности, ученые планируют исследовать, как кардиомиоциты (мышечные клетки сердца) приживаются на различных полимерах. Это поможет понять, как заставить клетки сокращаться нужным образом и в перспективе создать кардиоимплантаты.

«В лаборатории мы занимаемся модельной тканевой инженерией — создаем ткани и органы человеческого тела в простейшей культивационной системе. Для этого мы культивируем клетки на образцах биоразрушаемых полимерных материалов, обладающих различной микро- и наноструктурой, и смотрим, как на эти материалы реагируют клетки. В зависимости от типа сигналов, которые формируют материалы, клетки могут прилипать к поверхности материалов, размножаться, прорастать вглубь или умирать. В зависимости от этого мы будем разрабатывать такие материалы, которые бы помогли добиться нужных от клеток функций», — рассказала руководитель проекта, лауреат программы ITMO Fellowship Екатерина Шишацкая.

Автоматизация экспериментов. В лаборатории есть роборука, которая заменяет лаборанта и позволяет автоматизировать часть экспериментов. Сейчас она работает в коллаборации с человеком, который приносит растворы и расходники, а также анализирует результаты с помощью микроскопа. Итоги эксперимента загружаются в базу данных, а искусственный интеллект их анализирует и принимает решение о следующей серии образцов для исследований. В будущем ученые планируют полностью автоматизировать этот процесс.

Так выглядит работа ученых в нескольких областях: роботизации химических технологий, создании лабораторий-на-чипе и применении «умных» материалов для регуляции мышечных сокращений. Такими исследованиями будут заниматься в новой лаборатории. Видео предоставлено НОЦ Инфохимии ИТМО

Что дальше

С помощью лаборатории исследователи будут развивать направление орган-на-чипе. Так называют устройства для создания миниатюрных копий тканей и органов. Для этого в лаборатории будут учиться программировать поведение кардиомиоцитов с помощью биоразлагаемых полимерных изделий. В частности, ученые планируют научить клетки сокращаться. В перспективе такие наработки можно масштабировать для создания полноценного искусственного сердца.

В будущем наблюдать за ростом клеток в лаборатории можно будет дистанционно — с помощью специального микроскопа и камеры. С использованием машинного зрения ученые сформируют базы данных, которые будут полезны для научных исследований в области регенеративной медицины, клеточной биологии и материаловедении.

«Один из вызовов в материаловедении сегодня — это сбор и систематизация данных. Для этого мы будем использовать гражданскую науку: с помощью нашей лаборатории школьники смогут не просто знакомиться с подходами в материаловедении, но и собирать данные. Эти данные мы сможем использовать во фронтирных исследованиях, чтобы предсказывать поведение сложных систем и материалов для программирования клеточных и бактериальных культур», — рассказала профессор, директор научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Екатерина Скорб.

Проект создан совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ и «Научно-производственным объединением Пролаб». В разработке куба также принимают участие магистранты программы центра инфохимии ИТМО «Роботизация химических технологий», которые создают и обучают роботов для лабораторий и предприятий.