Создание костной ткани из собственных клеток пациента является важной задачей тканевой инженерии и представляет практический интерес для медицины и ветеринарии.
Основная идея генерации новой кости проста. Из биосовместимого материала делают заготовку, имеющую форму будущей кости. В систему вносят клетки-предшественники костной ткани, которые со временем должны заселить весь объем заготовки. Чтобы клетки росли и развивались, добавляют сигнальные молекулы, факторы дифференцировки и роста клеток кости. Если все условия подобраны правильно, со временем на месте заготовки образуется кость, по прочности и другим характеристикам очень похожая на настоящую.
В качестве клеток-предшественников костной ткани используют мезенхимальные стволовые клетки (mesenchymal stem cells, MSC), которые находятся, например, в костном мозге каждого человека. Эти клетки в соответствующих условиях могут дифференцироваться в клетки разных типов: жировые, костные, хрящевые, мышцы, клетки соединительной ткани. Для правильного формирования кости необходимо, чтобы MSC дифференцировались в остеогенные клетки, которые в дальнейшем разовьются в зрелые клетки костной ткани – остеобласты и остеоциты.
Однако даже у такого замечательного подхода имеется ряд нерешенных проблем. Например, факторы, стимулирующие образование кости, для каждого пациента должны подбираться индивидуально, с учетом возраста, пола и т.п. Другая трудность заключается в том, что зачастую MSC формируют вокруг заготовки мягкие ткани, прежде чем успеют дифференцироваться в клетки кости и прорасти внутрь.
Группа ученых из Великобритании задумалась над тем, как заставить MSC дифференцироваться в клетки костной ткани без применения химических воздействий. Известно, что дифференцировка MSC invitro зависит от особенностей подложки, на которой они растут, однако у разных исследователей получались противоречивые результаты. В целом считается, что более шероховатая подложка способствует лучшей дифференцировке клеток костной ткани, однако в некоторых случаях бывает и наоборот.
Британские ученые предположили, что все дело в наноразмерных особенностях шероховатой поверхности. Чтобы проверить свою догадку, они изготовили при помощи метода электронно-лучевой литографии (electron beam lithography, EBL) различные подложки из полиметилметакрилата (PMMA), на которых определенным образом располагались лунки 120 нм в диаметре и 100 нм глубиной. Расстояние между лунками составляло в среднем 300 нм. Помимо подложек с регулярным расположением лунок (в вершинах шестиугольника, HEX, или квадрата, SQ), были также исследованы поверхности с разной степенью разупорядоченности: лунки располагались в пределах 20 нм от вершин правильных квадратов (DSQ20), в пределах 50 нм (DSQ50) или же были нанесены случайным образом (RAND).
В первой серии экспериментов было изучено поведение человеческих остеогенных клеток на таких подложках in vitro. Чтобы оценить эффективность образования внеклеточного матрикса кости, препараты на 21-й день были обработаны антителами к остеопонтину и остеокальцину. Эти белки являются тканеспецифичными внеклеточными компонентами кости. Результат такого эксперимента представлен на рисунке 2. Как оказалось, на подложке с несколько разупорядоченным расположением лунок клетки достигают достаточной плотности и лучше всего синтезируют остеопонтин и остеокальцин. Более того, в этих препаратах было отмечено появление островков окостенения (bone nodule), что является важным этапом в процессе нормального формирования кости.
Однако гораздо интереснее знать, как поведут себя мезенхимальные стволовые клетки и будут ли они дифференцироваться в остеогенные клетки. Поэтому в следующей серии экспериментов исследователи изучили влияние наноструктурированных подложек на развитие MSC. Как и прежде, препараты окрашивали антителами к специфичным белкам внеклеточного матрикса кости (остеопонтину и остеокальцину); кроме того, их окрасили ализарином, чтобы проследить за минерализацией матрикса. Результаты представлены на рисунке 3. Снова оказалось, что наилучшее развитие костной ткани наблюдается на подложке с углублениями, расположенными в пределах 50 нм от вершин правильных квадратов.
Ученые не остановились на достигнутом. Для дальнейших исследований была выбрана подложка, показавшая наилучшие результаты в предыдущих опытах - DSQ50. Чтобы оценить, насколько полученные популяции клеток похожи на настоящую костную ткань, был изучен профиль экспрессии генов этих клеток. В качестве положительного контроля использовали клетки, выращенные на ровной подложке, однако обработанные индуктором формирования костной ткани – кортикостероидом дексаметазоном (DEX). Принято считать, что при обработке DEX клетки формируют костную ткань. В качестве отрицательного контроля взяли клетки, выращенные на ровной подложке без какой-либо дополнительной обработки. Оказалось, что профиль экспрессии генов довольно близок к положительному контролю, хотя в некоторых деталях и отличается от него. Однако по крайней мере часть отличий вызвана влиянием DEX на стероидные рецепторы и не связана с развитием костной ткани.На основании проделанных экспериментов ученые заключают, что нашли способ выращивать клетки костной ткани без применения химических воздействий. Несомненно, это важный шаг в области тканевой инженерии кости.
PuraMatrix
PuraMatrix ™ является идеальным синтетическим, прозрачным, биосовместимым и bioresorbable материал расположен на пересечении химической инженерии и биологии. PuraMatrix ™ в естественных условиях внеклеточного матрикса имеет широкие лабораторных и клинических применений, включая клеточную культуру, доставки лекарств, ускоренное хрящей и костей, роста и регенерации центральной нервной системы, мягких тканей и сердечной мышцы.
PuraMatrix ™ является полностью синтетическим, рассасывающийся гидрогель состоят из повторяющейся последовательности аминокислот аргинин-аланин-аспарагиновая кислота-аланин, подготовленный в водном растворе. PuraMatrix ™ самостоятельно собирается в нановолокон по шкале похожие на внеклеточного матрикса при воздействии на физиологическом уровне солью, образуя текучую гидрогель пользователи могут решить, когда именно в гель PuraMatrix ™.PuraMatrix ™ нановолокон создать очень организованный, 3-мерный, пористые строительные леса, которые очень трудно, если не невозможно, чтобы произвести любой технологии производства. Кроме того, плотность нановолокон и средний размер пор (5-200 нм) могут управляться и настраиваться концентрация пептида раствора, используемого в производстве. В 2004 году, PuraMatrix ™ была выпущена в продажу в культуре клеток в открытие наркотиков и прикладных исследований в партнерстве с Becton Dickinson. PuraMatrix ™ самоорганизации гидрогель теперь доступен в лабораторных и клинических качество приложений.
Тесты:
1. Наносистема. Выберете правильное определение.
А Наносистема - это тончайшая сетка с ячейками 3 мм и тонкой силиконовой полоской, нанесенной по контуру.
Б Наносистема — материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных наноразмерных элементов, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде квантово размерных эффектов, явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов
2. Матрикс?
А Носитель
Б Материал
В Структура
3. Какое лишнее требование к материалу матрикса?
А Биологическая совместимость с организмом;
Б Оптимальная микроструктура для жизнедеятельности клеток;
В Кинетика резорбции, совместимая с кинетикой остеогенеза.
Г По составу должен быть гетерогенным или крупнозернистым
4. Какие молекулы добавляют чтобы клетки росли?
А Неполярные молекулы
Б Факторные молекулы
В Сигнальные молекулы
5.Какие клетки используют в качетве клеток-предшественников?
А Фетальные стволовые клетки
Б Мезенхимальные стволовые клетки
В Тканеспецифичные прогениторные клетки
Г Гемопоэтические стволовые клетки
Ответы к тесту: Б, А, Г, В, Б
Литература:
1. Работа "The control of human mesenchymal cell differentiation using nanoscale symmetry and disorder"опубликована в "Nature Materials". doi:10.1038/nmat2013
2. Работы о материалах, химическом, биологическом факультетах МГУ(А.А.Елисеев, А.В.Лукашин, Р.Б.Васильев, Д.М.Иткис, А.В.Григорьева, А.Е.Чеканова, К.С.Напольский, Д.А.Семененко, А.А.Семенова, Н.А.Браже), https://www.mems.sandia.gov, www.nanometer.ru и др.
3. Наномашины в живой клетке. Ольга. Донцова.
4. Структурный и функциональный аспекты бионанотехнологии. Курочкин И.Н.
5. Нанотехнологии Гусее 2005г.
6. https://www.nanometer.ru