Наноструктуры с живыми клетками

Исследователи из Венского технического университета под руководством Александра Овсяникова разрабатывают лазерную технологию для создания микроструктур с встроенными живыми клетками.

Поведение клеток сильно зависит от их окружения. Для их изучения и манипулирования критически важно поместить их в подходящую среду. Разрабатываемая технология позволяет внедрять живые клетки в сложные, изготовленные на заказ структуры, подобные биологической ткани, где клетки окружены внеклеточным матриксом. Этот метод важен для искусственного выращивания биотканей, поиска новых лекарств и исследований стволовых клеток. За эту работу Александр Овсяников получил стартовый грант ERC (Европейского исследовательского совета) в размере около 1,5 млн евро.

Высокотехнологичные структуры для биомедицинских исследований

Выращивание клеток на плоской поверхности — задача простая, но такие культуры часто ведут себя иначе, чем клетки в реальной трёхмерной ткани. Для 3D-культур пока нет стандартной системы. Такой матрикс должен быть пористым, чтобы снабжать клетки питательными веществами, а его геометрические, химические и механические параметры — точно настраиваемыми для изучения клеточных реакций. Также важна скорость и массовость производства, так как биологические эксперименты требуют множества параллельных культур для надёжных данных.

Эти требования хорошо соответствуют возможностям исследовательской группы «Аддитивные производственные технологии». Междисциплинарная команда разрабатывает специальные технологии для создания трёхмерных структур с субмикронной точностью. Цель — создать универсальный метод, который станет стандартом для 3D-культур и сможет адаптироваться под разные типы тканей и клеток.

Лазер превращает жидкость в каркас по индивидуальному заказу

Сначала клетки суспендируют в жидкости на водной основе. Добавляются биосовместимые молекулы, которые особым образом реагируют на свет: сфокусированный лазерный луч разрывает двойные связи в строго определённых местах. Затем химическая цепная реакция заставляет молекулы связываться, образуя полимер.

Реакция запускается только при одновременном поглощении двух фотонов лазера. Это происходит исключительно в фокальной точке луча, где плотность фотонов достаточно высока. Материал за её пределами не затрагивается. Это позволяет с беспрецедентной точностью определять, в каких точках молекулы должны связаться и образовать твёрдый каркас.

Направляя фокус лазерного луча через жидкость, создают твёрдую структуру со встроенными живыми клетками. Неполимеризованные молекулы затем просто смываются. Таким образом строится гидрогелевая структура, подобная внеклеточному матриксу в живой ткани. Этот подход, называемый «биомиметикой», играет всё более важную роль в материаловедении. Технология может во многих случаях сделать ненужными испытания на животных и давать более быстрые и значимые результаты.

Превращение стволовых клеток в ткань

Особенно интересное поле применения — исследования стволовых клеток. Известно, что стволовые клетки могут превращаться в разные типы ткани в зависимости от окружения. На твёрдой поверхности они склонны становиться костными клетками, на мягком субстрате — нейронами. В лазерной 3D-структуре жёсткость субстрата можно настраивать, чтобы создавать различные типы тканей.