Полимерные ленты помогут в заживлении тканей

Исследователи из Фрайбурга разработали гидрогели для восстановления ткани, способные «подстраиваться» под любую часть тела.

Профессор Прасад Шастри (Prasad Shastri) из Института Макромолекулярной Химии (Institute of Macromolecular Chemistry, Чехия) и Центра Изучения Биологического Сигналинга (BIOSS Centre for Biological Signalling Studies Excellence Cluster) при Университете Фрайбурга (University of Freiburg, Германия) и его коллеги разработали новый вид геля, способствующий специфичной организации клеток человека. Гидрогели состоят из агарозы – углеводного полимера, получаемого из морских водорослей и воспроизводящего многие свойства окружающей среды клеток в организме человека. Они могут служить в качестве остова для клеток при построении тканей.

В статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, исследователи показали, как с помощью гидрогеля они смогли вырастить из клеток сосудистые структуры способом, не имеющим аналогов. Такие гели в будущем можно использовать для скорейшего заживления поврежденной ткани.

Клеточное окружение (внеклеточный матрикс) в организме состоит из коллагена и полимерных сахаров. Такая структура обеспечивает клеткам механическую передачу сигналов, соответствующую организацию в ткани, а также необходима для восстановления тканей. Гель способен имитировать эту структуру. Однако он должен точно воспроизводить физические свойства внеклеточного матрикса, поскольку такие параметры, как прочность матрикса, варьируют в организме в зависимости от типа ткани.

Группа профессора Шастри модифицировала агарозные гели, добавив в молекулярную структуру полимера карбоксильные группы для оптимального соответствия окружению клеток. Формирование гидрогелей сопровождается образованием перекрестных сшивок между полимерными цепями при растворении в воде. Углеводные цепи в геле организуются в пружинообразную структуру. Благодаря добавлению карбоксильных групп к остову полимеры формируют лентоподобные структуры, что позволяет жесткому гелю подстраивать остов под любую часть организма человека.

Продемонстрировать изменчивость геля исследователи решили на клетках эндотелия, выстилающих кровеносные сосуды, заставив их формировать сосуды вне организма. Ученые нашли единственное условие, стимулирующее формирование крупных сосудоподобных структур высотой несколько сотен микрометров эндотелиальными клетками. Это открытие найдет применение при лечении повреждений сердца и других мышц.

Долгое время считалось, что формирование крупных сосудистых структур требует добавочных клеток, называемых муральными поддерживающими клетками, которые обеспечивают платформу для присоединения и организации эндотелиальных клеток.

«Особенно примечательно, что организация эндотелиальных клеток в подобные свободно организующиеся сосудистые трубки, происходящая внутри геля, не требует поддерживающих клеток, - поясняет профессор Шастри, - Мы были удивлены, обнаружив, что эндотелиальные клетки подвергаются специфической трансформации, называемой апико-базальной поляризацией».

Оказывается, такая поляризация необходима для развития кровеносных сосудов и происходит естественным образом в развивающемся эмбрионе. Способность индуцировать поляризацию в клетках в трехмерном синтетическом полимерном окружении является уникальной особенностью нового геля.

Трехмерная организация и разветвление клеток эндотелия человека в сосудистое дерево в карбоксилированных агарозных гелях. (фото: © Aurelien Forget, Prasad Shastri)

По материалам Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Оригинальная статья:
A. Forget, J. Christensen, S. Ludeke, E. Kohler, S. Tobias, M. Matloubi, R. Thomann, V. P. Shastri. Polysaccharide hydrogels with tunable stiffness and provasculogenic properties via -helix to -sheet switch in secondary structure. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; DOI: 10.1073/pnas.1222880110