Ультразвуковая техника для управления ростом и ориентацией клеток

Направленное выращивание клеточных пластов для трансплантации — одна из ключевых задач регенеративной медицины. Уже существуют успешные примеры, например, использование пластов миобластов для лечения тяжелой сердечной недостаточности.

Однако для широкого применения технологии необходимо решить проблему ориентации клеток. В частности, волокна скелетных мышц должны быть выровнены в одном направлении, но при обычном культивировании миобласты (предшественники мышечных клеток) растут хаотично.

Группа ученых под руководством профессора Дайсуке Коямы из Университета Дошиша (Япония) разработала метод, использующий ультразвук для контроля ориентации культивируемых миобластов. Результаты опубликованы в Scientific Reports 28 октября 2024 года.

Суть метода

• Ультразвуковой пьезопреобразователь закреплен на дне круглой стеклянной пластины.
• На пластину помещается стандартный полистироловый культуральный планшет, а для эффективной передачи ультразвуковых колебаний используется силиконовое масло.
• Вся система находится в камере с контролем температуры, влажности и концентрации CO₂.
• Синусоидальный электрический сигнал подается на преобразователь от генератора функций.

Эксперименты и результаты

Исследователи тестировали метод на клеточной линии мышиных миобластов C2C12, способных дифференцироваться в миотубы. Они изучали влияние частоты, амплитуды, времени и продолжительности ультразвукового воздействия.

Количественный анализ ориентации миотуб с помощью 2D быстрого преобразования Фурье показал:

«Мы наблюдали, что распределение ориентации клеток коррелировало с распределением амплитуды вибрации, что указывает на то, что клетки росли в направлении, минимизирующем вариации вибрационного смещения вдоль их длинных осей», — пояснил профессор Кояма.

Клетки C2C12 созревали в миотубы, расположенные по окружности относительно центра планшета. Примечательно, что такая круговая ориентация наблюдалась даже на радиусе более 4 мм, где вибрационное смещение от преобразователя было незначительным. Ученые предположили, что причина может быть в межклеточной коммуникации, устанавливающейся между миобластами до их слияния в миотубы.

Дополнительные анализы (ПЦР в реальном времени и иммуноокрашивание) подтвердили, что обработанные ультразвуком клетки демонстрируют более высокий уровень генов, связанных с дифференцировкой, и характерные морфологические изменения. Это указывает, что ультразвук способствует дифференцировке миобластов в миотубы и может стать альтернативой или дополнением к химическим методам индукции.

Перспективы

Предложенная стратегия — простой и эффективный метод контроля ориентации мышечных клеток. Для оптимизации протокола необходимы дальнейшие исследования.

«Скрининг различных условий ультразвукового воздействия, включая частоту, интенсивность, время и продолжительность, будет иметь решающее значение для установления оптимизированного метода ультразвуковой индукции образования миотуб в будущем», — отметил профессор Кояма.

Дальнейшее совершенствование метода может открыть путь к инновационным решениям в регенеративной медицине с использованием клеточных пластов, особенно для создания культивируемых тканей скелетных мышц.