Высокоскоростные пути к здоровью: Биконтинуальные структуры ускоряют миграцию клеток
Ключевым, но малоизученным аспектом заживления является миграция клеток — их перемещение из одной части тела в другую. Карен Сю, студентка программы M.D./Ph.D. по медицине и биоинженерии, приводит аналогию: «Если вы скорая помощь в лесу, и для вас нет дорог, вам будет гораздо труднее добраться до места, где вы нужны».
В начале этого года Сю стала соавтором статьи в Nature Communications, описывающей новый способ помочь клеткам добраться до цели. Речь о материале, состоящем в основном из гиалуроновой кислоты и желатина — двух вязких веществ, обычно встречающихся вне клеток в суставах и соединительной ткани.
«Сотни тысяч людей ежегодно повреждают мениск, — говорит Роберт Маук, профессор ортопедической хирургии и биоинженерии, один из научных руководителей Сю и старший автор статьи. — Этот материал потенциально может ускорить их восстановление».
Уникальность материала — гидрогеля (смеси желеобразного вещества и воды) — в том, что комбинация гиалуроновой кислоты и желатина образует сложную сеть путей, предоставляя клеткам множество различных маршрутов для перемещения между двумя точками.
Это свойство называется биконтинуальностью: два отдельных, но непрерывных компонента (например, целлюлоза и воздух в губке; в гидрогеле — желатин и гиалуроновая кислота) пронизывают весь объем материала. Это создает сложную структуру, которая значительно увеличивает внутреннюю площадь поверхности материала.
Тестирование эффективности
Чтобы проверить эффективность гидрогеля, Сю и её коллеги (включая второго научного руководителя Джейсона Бёрдика, бывшего профессора биоинженерии, а ныне профессора Университета Колорадо в Боулдере, второго старшего автора статьи) сначала создали несколько версий материала. Цель — найти оптимальное соотношение компонентов, при котором формируется биконтинуальная структура с наибольшей внутренней площадью поверхности.
«Мы выяснили, что для формирования биконтинуальной структуры необходима точная комбинация различных компонентов гидрогеля и контроль над их смешиванием», — говорит Бёрдик.
Затем исследователи поместили в гидрогель кластеры клеток соединительной ткани и наблюдали за их расселением. В гидрогелях с наибольшей внутренней площадью поверхности клетки перемещались примерно в три раза быстрее, чем в чистом желатине, что демонстрирует способность материала ускорять миграцию.
Эффект также подтвердился в экспериментах с образцами ткани мениска, помещенными на гидрогель, и в тестах на животных моделях. Во всех случаях новый гидрогель заметно ускорял движение клеток.
«Биконтинуальные структуры обладают этой обширной площадью поверхности, — объясняет Сю, — и клетки находят границы раздела между различными компонентами гидрогеля и мигрируют быстрее».
Будущие применения
В будущем команда надеется протестировать клиническое применение гидрогеля. «Это может работать для повреждений опорно-двигательных тканей, — говорит Сю, — например, для связок колена, но также подойдет для восстановления любой ткани, требующей рекрутирования соседних клеток».
«Если клетки не могут добраться до места травмы и заселить его, то тело не может восстановиться само», — добавляет она.
Теоретически гидрогель также можно использовать для изучения болезней. «Его можно использовать как платформу, чтобы лучше понять, как движутся раковые клетки», — говорит Сю. Анализ движения раковых клеток может привести к разработке методов лечения, которые замедляют их перемещение и, следовательно, метастазирование.
В конечном счете, гидрогель открывает новые возможности для инженеров и врачей по направлению клеток, подобно диспетчерам, координирующим работу спасателей. «Ещё больше маршрутов означает, что скорая помощь теоретически может добраться до конечного пункта назначения быстрее», — заключает Сю.