Микроструктуры, имитирующие естественную среду клетки

Биологи обычно изучают клетки на плоских поверхностях, которые сильно отличаются от естественной среды в организме человека. Исследователи из Норвежского университета естественных и технических наук (NTNU) нашли способ имитировать некоторые аспекты естественной среды клетки с помощью крошечных полимерных столбиков. Их работа, финансируемая Исследовательским советом Норвегии, опубликована в журнале Nanoscale Research Letters.

Клетки в организме человека находятся в сложной матрице молекул — внеклеточном матриксе. Это динамическая поддерживающая сеть, которая не только служит физическим каркасом для тканей и органов, но и передает сигналы для межклеточной коммуникации. Изучение клеток на плоских стеклянных поверхностях в лаборатории позволяет их наблюдать, но может искажать многие клеточные процессы, так как стекло слишком жесткое.

Чтобы понять, как клетки ведут себя в своей естественной среде, нужен субстрат, который ближе к биологическим условиям. Один из вариантов — помещать клетки в гидрогели (3D-сети желатиноподобных полимеров), но наблюдать за ними в таком случае сложнее.

Создание структур в тонкой полимерной пленке

Исследователи во главе с профессором Павлом Сикорским и аспирантом Якобом Винье, в сотрудничестве с биологами из Университета Осло, решили имитировать механические аспекты более мягких субстратов с помощью наноструктур. Они покрыли стеклянные пластины крошечными столбиками из полимера SU-8.

Эти наностолбики, диаметром всего 100 нанометров на кончике, были созданы с помощью электронно-лучевой литографии в лаборатории NTNU NanoLab. Сфокусированный пучок электронов формировал структуры в тонкой полимерной пленке. Для исследований требовались поверхности размером не менее 10×10 мм, содержащие множество столбиков.

Плотно упакованные столбики

Исследователи создали субстраты с различным расположением наностолбиков и протестировали их на клетках, производящих флуоресцентные белки. С помощью микроскопии они анализировали форму, размер и распределение точек прикрепления клеток к разным поверхностям.

После сотен наблюдений выяснилось, что субстраты с плотно упакованными наностолбиками наиболее близко имитируют мягкую поверхность. Клетки на них вели себя так, как будто находились на гораздо более мягком и податливом субстрате.

Преимущество таких покрытий — в их простоте. Биологи теоретически могут просто заменить обычные стеклянные пластины на новые, более функциональные и настраиваемые.

Идеальная цель — создать коммерчески доступные субстраты, которые исследователь мог бы «просто достать из упаковки, поместить на них клетки, изучить под микроскопом и выбросить после использования». Пока созданы лишь прототипы, но для масштабирования производства можно использовать существующие методы, например, нанолитографию методом импринта — недорогую технологию для массового создания наноразмерных паттернов.

Помимо новых возможностей для изучения клеток, такие субстраты можно использовать для более эффективного скрининга лекарств. Например, для поиска препарата, препятствующего прикреплению клеток к определенной поверхности, можно использовать покрытый наностолбиками субстрат, имитирующий эту поверхность.