Ученые установили свойства материала, необходимые для восстановления тканей

Исследования, позволяющие подбирать оптимальные условия для роста и дифференцировки клеток организма, которые будут способствовать более быстрому восстановлению тканей после повреждения, провели российские ученые, сообщает 13 октября Российский научный фонд (РНФ).

Результаты своей работы команда ученых из Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН, Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и Московского физико-технического института представили в статье «Как трансформируется объемная микроструктура нетканого полимера при растяжении в водной среде», опубликованной в журнале Polymers.

В статье авторы отмечают, что важнейшим параметром при формировании и подборе имплантатов является поведение этих искусственных каркасов под нагрузкой, имитирующее естественные процессы в живом организме.

Поэтому в своем исследовании ученые поставили своей задачей определить, как ведут себя при натяжении волокнистые материалы для регенерации тканей.

Клетки различных тканей в организме окружает внеклеточный матрикс, который служит средой их жизни, миграции, размножения и дифференциации. Матрикс в основном состоит из гликопротеинов и протеогликанов — молекул, которые в разном соотношении имеют белковую и углеводную части.

При этом химический состав, плотность и текстура этого клеточного окружения индивидуальна для каждой ткани и обладает специфическими свойствами, формирующими уникальную тканеспецифическую среду, которая обеспечивает не только жизнедеятельность, но и дифференцировку клеток.

Эта среда выполняет сигнальную функцию для стволовых клеток, которые благодаря ей «знают», в клетки какого типа им нужно превратиться. Так, в матриксе с большим количеством коллагена будут развиваться клетки соединительной ткани, а в среде, богатой минералами, — структурные элементы кости.

Некоторые ткани — крупные нервные волокна, мышца сердца, кровеносные сосуды и соединительная ткань сухожилий — плохо восстанавливаются после повреждений, образуя рубцы, что как раз обусловлено особенностями их матрикса.

Поэтому ученым приходится для восстановления таких тканей разрабатывать их искусственные аналоги, способные взять работу по стимулированию регенерации на себя.

Такой искусственный матрикс должен обладать рядом свойств. К ним относится биосовместимость — он должен поддерживать рост, размножение и дифференцировку клеток, а также иметь свойства, схожие с природным матриксом. В противном случае клетки при взаимодействии с таким матриксом не будут делиться, и восстановления структуры тканей не получится.

Также материал искусственного матрикса должен обладать достаточной прочностью, чтобы обеспечить необходимую опору клеткам.

Команда ученых выполнила исследования прочности искусственного матрикса и изменения его микроструктуры при растяжении в водной среде, создавая условия, близкие к условиям в живом организме.

Ими был синтезирован волокнистый материал на основе поли-L-молочной кислоты, являющийся биоразлагаемым и биосовместимым полимером. Диаметр волокон составил в среднем 5 мкм, что в 10 раз тоньше волоса человека. При этом нити этого искусственного матрикса располагались разнонаправленно, создавая сложную объемную сеть.

Материал имел высокую плотность — на 1 мм матрикса приходилось около 1500 волокон, что примерно на три порядка больше, чем в самом плотном текстиле.

Для исследования изменений, происходящих с нетканым матриксом при механических нагрузках, ученые использовали специально созданную экспериментальную установку, соединявшую в себе высокочастотный импульсный ультразвуковой микроскоп и минимашину механического нагружения.

Это позволило наблюдать за изменением микроструктуры материала в процессе его растяжения в водной среде. Оптическая и электронная микроскопия в данном исследовании оказалась бы бессильна.

Исследователи установили, что при 30-процентном растяжении волокна матрикса распутывались и ориентировались преимущественно вдоль оси деформации, однако сохранялась геометрия волокон. Одновременно примерно вдвое снизилась плотность образца.

Дальнейшее растяжение нити матрикса вызывало уменьшение его плотности в разы, пока не был достигнут предел прочности.

Руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биохимической физики Егор Мороков пояснил:

«В составе тканей матрикс подвергается различным деформациям. Мы выяснили, как меняется его микроструктура при различной силе растяжения в водной среде. Это поможет подбирать оптимальные условия для искусственных материалов при регенерации, а также заранее предсказывать поведение волокон в условиях живого организма. В дальнейшем мы планируем исследовать свойства нашего матрикса, когда в него уже помещены живые клетки».