Скорость движения молекул определяет связывание клеточных мембран с биоматериалами
Исследование международной команды под руководством профессора Шикхи Димана из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце показало, что при связывании модельных клеточных мембран с биоматериалами решающую роль играет не сила связывания, а скорость движения рецепторов в мембранах.
Многие надежды возлагались на тканевую инженерию. Однако ожидаемого 20 лет назад уровня не достигнуто, потому что стволовые клетки не всегда связываются с материалом-носителем, как предполагала теория.
«Происходит ли взаимодействие между модельной клеточной мембраной и матричным материалом, зависит не только от силы взаимодействия, но и от скорости, с которой движутся молекулы-партнеры по связыванию. Это понимание критически важно для разработки эффективных биоматериалов», — говорит Диман.
Результаты команды опубликованы в журнале PNAS.
Чтобы вырастить биологическую ткань искусственно, биотехнологи обычно помещают стволовые клетки на матричные материалы, обычно гели. Долгое время считалось, что достаточно добавить в гель молекулы (лиганды), которые достаточно сильно связываются с рецепторами в клетках. Но это оказалось заблуждением.
Исследователи изучили первую точку взаимодействия: связь между отдельными волокнами матрицы и модельной клеточной мембраной.
«До сих пор всегда учитывалась сила взаимодействия между лигандами и рецепторами. Но мы обнаружили, что способность модельной клеточной мембраны связываться с волокном зависит в первую очередь от скорости, с которой молекулы-партнеры движутся в модельной мембране или в волокне», — говорит Диман.
Если скорости лигандов в волокне и рецепторов в мембране схожи, они могут найти друг друга и связаться.
«Даже самая слабая связь может привести к взаимодействию, если скорости молекул схожи. Однако если один из партнеров движется быстро, а другой медленно или неподвижен, клетки не свяжутся с гелем», — объясняет Диман.
При схожих скоростях партнеры собираются вместе
Для своих исследований команда использовала микроскопию сверхвысокого разрешения, позволяющую визуализировать отдельные рецепторы и лиганды. Чтобы отследить движение молекул, они работали с отдельными волокнами, а не с объемным гелем.
«Если молекулы в модельной мембране и в волокне движутся с похожей скоростью, они стремятся сгруппироваться. Партнеры по связыванию собираются с обеих сторон в точке контакта — связь обеспечивает не отдельное соединение, а целая группа рецепторов и лигандов. Даже низкой силы связывания тогда достаточно», — говорит Диман.
Эти результаты могут стать прорывными для тканевой инженерии, а также для других медицинских применений, таких как иммунотерапии или доставка лекарств (drug delivery).
«В долгосрочной перспективе это знание может привести к прорывам в восстановлении тканей и регенеративной медицине, а также к созданию продвинутых медицинских имплантатов, работающих в гармонии с клетками организма», — заключает Диман.