Трехмерная сердечная мышца на двумерном чипе
Исследователи университета Джонса Хопкинса (г. Балтимор, штат Мэриленд), работающие под руководством Андрэ Левченко (Andre Levchenko), в сотрудничестве с коллегами из Сеульского национального университета (Корея) создали чип, который, благодаря уникальному нанорельефу поверхности, позволяет выращивать сердечную мышечную ткань, практически не отличающуюся от натуральной. Примечательным является тот факт, что для формирования мышечной ткани кардиомиоциты не нуждались ни в каких химических факторах, а следовали исключительно своему «наночутью», позволившему им считать необходимую для роста и функционирования информацию с нанорельефа поверхности чипа.
Развитие и функционирование всех тканей, в том числе сердечной мышцы, в организме направляет и поддерживает внеклеточный (экстрацеллюлярный) матрикс – высокоструктурированный каркас, состоящий из волокон. Поэтому мышечная ткань, выращенная на плоской поверхности, никогда не будет обладать всеми характеристиками ткани живого организма.
Для решения этой проблемы ученые разработали чип, консистенция и структура поверхности которого максимально соответствуют параметрам внеклеточного матрикса. Чип состоит из стеклянной основы, на которую нанесен слой гидрогеля, изготовленного из биосовместимого полиэтиленгликоля и имеющего сложную двухмерную структуру, представленную длинными бороздками и рубчиками. Исследователи создали различные варианты чипов, с шириной бороздок от 50 до 800 нм, ширина рубчиков – от 150 до 800 нм и высота рубчиков – от 200 до 500 нм. Это позволило регулировать структуру выращиваемой мышечной ткани.
Помещенные на рубчатый чип кардиомиоциты уже через два дня вытягивались и начинали расти вдоль бороздок гидрогеля. Более того, они активно формировали контакты между слоями клеток, что придавало всей культуре структуру, сходную со структурой настоящей сердечной мышцы (слева). В это же время клетки, культивируемые на гладкой гидрогелевой поверхности, оставались мелкими и практически не формировали межклеточных контактов (справа). Еще через несколько дней выращиваемые на структурированной поверхности клетки, подобно настоящей сердечной мышце, начинали проводить электрические волны и сокращаться в строго определенном направлении.
По словам Левченко, наиболее удивительным для авторов был тот факт, что изменение нанорельефа поверхности позволяет воздействовать на функции и структуру культивируемой ткани. Это демонстрирует высокую степень «наночувствительности» клеток, обеспечиваемую их способностью плотно прилегать к мельчайшим искривлениям поверхности. Полученные результаты свидетельствуют о том, что внеклеточный матрикс является мощным средством управления ростом клеток на наноуровне, а воспроизведение его свойств позволит исследователям создавать полноценно функционирующую сердечную мышечную ткань без использования дополнительных химических сигналов.
Устройство чипа и эксперименты, проведенные с его использованием, описаны в предварительной on-line версии Proceedings of the National Academy of Sciences в статье «Nanoscale cues regulate the structure and function of macroscopic cardiac tissue constructs» (в дополнительных материалах к статье приведены видеоролики с по-разному, в зависимости от структуры поверхности, сокращающимися кардиомиоцитами). Авторы статьи считают, что новый чип можно использовать для разработки новых методов лечения и диагностики заболеваний сердца.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам ScienceDaily: Heart cells on lab chip display 'nanosense' that guides behavior.
22.12.2009