Макаронная дорога для клеток: Нить из выровненных нановолокон обещает улучшить регенерацию тканей

Ключевой вопрос в регенеративной медицине — как эффективнее всего доставлять стволовые клетки, а также другие полезные клетки, белки и крупные молекулы к поврежденным тканям, таким как спинной мозг, сердце и мозг.

Команда Северо-Западного университета впервые продемонстрировала метод доставки клеток в той же ориентации, в которой они находятся в естественных тканях, что может ускорить рост и заживление. Результаты опубликованы на обложке июльского номера журнала Nature Materials.

Исследователи создали сантиметровые гелевые «нити» из выровненных нановолокон, содержащие живые клетки, расположенные линейно. Эти гибкие, биодеградируемые нити клеток, которые можно делать разной длины и ширины, можно хирургически размещать на поврежденной ткани, где они естественным образом прикрепятся.

«Мы обнаружили, как выравнивать наноразмерные филаменты вручную на больших расстояниях, создавая каркас, который мы можем заселять клетками, белками или другими крупными молекулами», — говорит старший автор статьи Сэмюэл И. Стапп.

Клетки, белки или другие молекулы движутся внутри макаронообразной нити параллельно её стенкам, подобно транспортным средствам на шоссе, и диффундируют через концы в ткань. «Это высоконаправленная доставка, которая увеличивает шансы на успешную регенерацию. Мы повторяем морфологию естественных тканей», — поясняет Стапп.

Метод уже показал перспективность в ускорении регенерации тканей. Недавнее исследование показало, что критический нерв, часто повреждаемый при операции по удалению раковой простаты, восстанавливается быстрее, когда специальный белок доставляется к нерву с помощью гелевой «лапши» Стаппа.

Стапп сотрудничает с другими исследователями в проектах по доставке стволовых клеток с помощью этого геля. Один проект будет фокусироваться на использовании выровненных структур как «шоссе» для перенаправления стволовых клеток из одной части мозга (где их много) в другие, где они могут быть нужны для лечения таких болезней, как болезнь Паркинсона. Также исследуется использование биоактивных форм геля для обращения вспять паралича при хронических травмах спинного мозга.

Для создания геля-«лапши» команда начинает с агрегатов специально разработанных пептидных амфифильных молекул в воде. Нагрев раствора заставляет их формировать двумерные плоские листы в воде. При охлаждении листы спонтанно распадаются на пучки волокон, образуя необычную жидкокристаллическую фазу. Затем исследователи смешивают клетки с жидким кристаллом и с помощью пипетки вручную протягивают жидкость через солевой раствор. Жидкость мгновенно гелеобразуется; результатом является нить, похожая на спагетти и состоящая из выровненных нановолокон с большим количеством инкапсулированных клеток.

В рамках исследования ученые инкапсулировали клетки сердца в нить и измерили электрические сигналы. Сигналы проходили от одного конца нити к другому за миллисекунды — как по проводу, но из клеток, а не металла. Это демонстрирует потенциал геля для передачи сигналов на большие расстояния в основных органах тела.

Этот новый метод менее вреден для живых клеток, чем существующие методы создания выровненных волокон, которые обычно полагаются на электрические или механические силы.

Легкое движение человеческой руки, протягивающей жидкий кристалл по поверхности, выравнивает волокна в одном направлении; солевой раствор может мгновенно зафиксировать эту ориентацию. Исследователи полагают, что необычная жидкокристаллическая фаза образуется в результате явления, которое они описывают как «двумерная неустойчивость Рэлея». Простое выравнивание наноразмерных филаментов также можно использовать для ориентации углеродных нанотрубок (что продемонстрировано в исследовании) или других проводящих структур для небиологических электронных применений.