Клетки сердца на лабораторном чипе проявляют «нанозрение», управляющее их поведением

Биомедицинские инженеры из Университета Джонса Хопкинса совместно с корейскими коллегами создали лабораторный чип с наноскопическими бороздками и гребнями, способный выращивать сердечную ткань, более близкую по свойствам к естественной сердечной мышце.

Удивительно, что клетки сердца, культивируемые таким образом, использовали «нанозрение» для получения инструкций по росту и функции исключительно от физических паттернов на нанотекстурированном чипе, не требуя специальных химических сигналов для направления развития ткани. Учёные считают, что этот инструмент можно использовать для разработки новых методов лечения или диагностических тестов сердечных заболеваний.

Устройство и эксперименты с ним описаны в онлайн-версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences. Работа, выполненная в сотрудничестве с Национальным университетом Сеула, представляет важный шаг вперёд для исследователей, выращивающих клетки в лаборатории для изучения сердечных патологий и возможных методов лечения.

«Клетки сердечной мышцы, выращенные на гладкой поверхности чашки Петри, обладают некоторыми, но никогда всеми, физиологическими характеристиками реального сердца живого организма, — пояснил Андре Левченко, доцент биомедицинской инженерии. — Это потому, что кардиомиоциты получают сигналы от высокоструктурированного внеклеточного матрикса (ECM) — каркаса из волокон, поддерживающего рост всех тканей у млекопитающих. Эти сигналы влияют на структуру и функцию ткани, но при выращивании клеток на гладкой поверхности в лаборатории физические сигналы могут отсутствовать. Чтобы решить эту проблему, мы разработали чип, чья поверхность и мягкость имитируют ECM. В результате была получена выращенная в лаборатории сердечная ткань, более близкая к настоящей».

Левченко добавил, что при изучении естественной сердечной ткани, взятой у живого животного, «мы сразу заметили, что слой клеток, ближайший к внеклеточному матриксу, рос высоко вытянутым и линейным образом. Клетки ориентируются по направлению волокон матрикса, что предполагает, что волокна ECM дают структурные или функциональные инструкции миокарду». Эти инструкции, по словам Левченко, передаются в наномасштабе — на уровне одной миллиардной метра.

Левченко и его корейские коллеги совместно с Док-Хо Кимом, докторантом и ведущим автором статьи в PNAS, разработали двумерную гидрогелевую поверхность, имитирующую жёсткость, размер и форму волокон, встречающихся в естественной сети ECM. Эта биосовместимая поверхность из нетоксичного полиэтиленгликоля содержит массив длинных гребней, напоминающий сложенный узор гофрированного картона. Ребристый гидрогель размещён на стеклянном слайде размером с долларовую монету. Команда создала чипы с шириной гребней от 150 до 800 нанометров, шириной борозд от 50 до 800 нанометров и высотой гребней от 200 до 500 нанометров. Это позволило контролировать текстуру поверхности более чем на пяти порядках величины длины.

«Мы были рады обнаружить, что всего через два дня клетки стали длиннее и росли вдоль гребней на поверхности слайда», — сказал Ким. Более того, исследователи обнаружили улучшенную связь между соседними клетками — расположение, более близкое к архитектуре естественных слоёв ткани сердечной мышцы.

Клетки, выращенные на гладких, неструктурированных гидрогелях, оставались меньше и менее организованными, с худшей межклеточной связью между слоями.

«Было очень интересно наблюдать, как инженерные клетки сердца ведут себя на крошечном чипе в двух измерениях так же, как в нативном сердце в трёх», — отметил Ким.

В сотрудничестве с Лесли Тунгом, профессором биомедицинской инженерии, исследователи обнаружили, что через несколько дней роста клетки на наноструктурированной поверхности начали проводить электрические волны и сильно сокращаться в определённом направлении, как это делает цельная сердечная мышца.

«Возможно, самое удивительное, что эти функции ткани и структура инженерной сердечной ткани могли контролироваться простым изменением наномасштабных свойств каркаса. Это показывает нам, что клетки сердца обладают острым "нанозрением"», — сказал Левченко.

«Эта наномасштабная чувствительность была обусловлена способностью клеток деформироваться, прилипая к углублениям в нанотекстурированной поверхности, и, вероятно, не из-за присутствия каких-либо молекулярных сигналов, — пояснил Левченко. — Эти результаты показывают, что ECM служит мощным сигналом для роста клеток, а также опорной структурой, и что он может контролировать функцию клеток сердца в наномасштабе отдельно в разных частях этого жизненно важного органа. Имитируя это свойство ECM, мы могли бы начать проектировать более совершенную инженерную сердечную ткань».

В перспективе Левченко ожидает, что создание поверхностей с аналогичными наномасштабными особенностями в трёх измерениях, а не только в двух, может предоставить ещё более эффективный способ контроля структуры и функции культивируемой сердечной ткани.