Уменьшающий луч из «Гадкого Я» перестаёт быть фантастикой
Используя новый вид «уменьшающего луча», ученые Техасского университета в Остине (UT Austin) научились изменять поверхность гидрогелевой подушки в режиме реального времени, создавая канавки (синий цвет) и другие виды поверхности, при этом не нарушая целостность и функционирование живых клеток, таких как представленный на изображении фибробласт (красный цвет), который моделирует поведение клеток кожи человека.
Быстрое появление таких признаков поверхности во время клеточного роста может имитировать динамические условия стандартного клеточного роста в процессе восстановления тканей (например, при заживлении ран или восстановление нервных волокон).
Новый «уменьшающий луч» может изменять размер и форму гелеобразного материала, во время выращивания на нем человеческих или бактериальных клеток. Этот инструмент будет весьма полезен для биомедицинских исследований, в том числе тех, которые помогут выращивать заменяющие ткани и органы для имплантации.
От «Фантастического путешествия» режиссера Ричарда Флейшера до «Гадкого Я» уменьшающие лучи были популярным научным вымыслом на экране. Теперь химики из Техасского университета в Остине (UT Austin) разработали новый тип гелеобразного материала. Этот новый инструмент обещает сделать возможными самые невероятные биомедицинские исследования, в том числе те, которые смогут пролить свет на то, как выращивать заменяющие ткани и органы для имплантаций. «Нужно понимать, как клетки реагируют на физические свойства окружающей среды, а в будущем уметь создавать материалы, которые способны динамически изменять свою форму», — сказал Джейсон Б. Шер, профессор химии и один из авторов нового инструмента. Работа была опубликована 23 октября 2018 года в «Journal of the American Chemical Society». Другими авторами статьи являются докторант-исследователь Дерек Эрнандес, научный сотрудник Эрик Ритчдорф и докторант Джоди Коннелл.
Реальная сила возможности сжатия материала, используемого для выращивания клеток, называемого субстратом, не в том, что она дает уменьшение, а в том, что это позволяет легко изменять форму поверхности. Точно контролируя в каких местах подвергнуть материал-основу сжатию, исследователи могут создавать определенные 3D-формы на его поверхности, включая выпуклости, впадины и кольца. Это похоже на зажатие ковра снизу, чтобы образовать «вершины» и «долины» на его поверхности. Исследователи также могут изменять местоположение и форму черт поверхности с течением времени, например, превращать небольшой бугорок в огромную выпуклость или наоборот делать из выпуклостей воронки, то есть имитировать динамическую природу окружающей среды, в которой обычно живут, растут и перемещаются клетки.
«Уменьшающий луч» представляет собой инфракрасный лазер, который может фокусироваться на крошечных точках внутри подложки. Субстрат выглядит и ведет себя как желе. На микроскопическом уровне он состоит из белков, смешанных и переплетенных как свалявшийся моток пряжи. Когда лазер направляет излучение в какую-то точку в подложке, между белками образуются новые химические связи, заставляющие их сильнее слипаться. Это более плотное слипание изменяет форму поверхности, поскольку она из-за него как бы поддергивается снизу. Исследователи сканируют лазером серию точек, расположенных внутри субстрата для создания нужного им контура поверхности в любом месте скопления клеток-мишеней.
В отличие от других методов, способных изменить субстрат под живыми клетками, ультратонкий «уменьшающий луч» UT Austin не нагревает поверхность и не изменяет ее химически, а также не повреждает клетки, расположенные на субстрате и не отслаивает их от него. И это позволяет формировать любой 3D-образец по требованию непосредственно во время наблюдения за растущими клетками через микроскоп. Уже в ближайшее время ученые из Техасского университета планируют использовать этот инструмент для исследования фундаментальных научных проблем, связанных с ростом и миграцией клеток, эти изыскания могут способствовать успешному проведению различных будущих медицинских исследований. Например, это может помочь найти подход к созданию материалов и процедур направленных на заживление ран, восстановление поврежденных нервов, а также, возможно, приведет к разработке методик выращивания тканей с их последующей успешной имплантацией, например, при пересадке кожных покровов или сердечных клапанов. «Чтобы получить ткань, которая бы развивалась в чашке Петри, и однажды могла бы быть успешно имплантирована, нам нужно понять, как лучше имитировать окружающую среду, в которой обычно развивается наше тело», — говорит Шер.
Еще одним потенциальным применением метода могут стать фундаментальные исследования образования опасных бактериальных колоний, называемых биопленками. Микробные биопленки — плотные, липкие скопления бактерий, которые покрывают оборудование медицинского назначения (инструментарий, приборы и др.) и способствуют распространению внутрибольничной инфекции, от которой страдает до 1 миллиона человек в год и это только в Соединенных Штатах. Если ученые смогут понять, какие топографические особенности могут предотвратить формирование биопленок, они смогут влиять на этот процесс, разрабатывая такие покрытия для биомедицинских устройств, которые будут блокировать образование биопленок и тем самым предотвращать распространение сложно поддающихся стандартной антибиотикотерапии инфекций.