Взгляд окей: 3D-визуализация позволит проектировать искусственные биоткани
Ученые разработали метод, который позволяет в 3D-формате визуализировать биоткани внутри пористых матриц из коллагена. Такие технологии применяют для выращивания биотканей. Новый способ позволит изучить внутреннюю структуру клеточной массы, а также ее размещение и перемещение внутри матрицы. Это открывает возможности для управляемого выращивания биологических эквивалентов живых тканей, а в перспективе — для создания биоэлектроники, биокомпьютеров и других подобных устройств.
Как создают биоткани
Ученые из Сеченовского университета Минздрава России предложили инновационный метод для визуализации в 3D-формате пористых коллагеновых матриц, внутри которых выращивают искусственные биоткани. Внедрение разработки дает возможность в деталях изучать их внутреннюю геометрию и ширину пор. А также наблюдать распределение и перемещение клеток внутри каркасов, что важно для правильного формирования и жизнеспособности будущих клеточных структур.
Как рассказали разработчики, коллаген — это структурный белок, который присутствует в большинстве органов человека. Это делает тканеинженерные конструкции на его основе универсальной средой для выращивания любых типов клеток. В том числе тех, которые предназначены для имплантации человеку. Например, искусственных хрящей, фрагментов кожи, сосудов.
Новый способ визуализации основан на применении микрокомпьютерной томографии. Она представляет собой сканирование объектов рентгеновскими лучами под разными углами. Однако проблема в том, что коллаген плохо контрастирует с биологическими клетками. Чтобы решить задачу, ученые подобрали вещество, которое безопасно для живых клеток, но способно «подсветить» коллаген в рентгеновском излучении.
— Метод предполагает контрастирование образцов в трехпроцентном растворе фосфорновольфрамовой кислоты в дистиллированной воде с последующим сканированием. Механизм действия химического соединения заключается в том, что оно прочно связывается с коллагеном и клеточными массами и обеспечивает их видимость при микро-КТ. При этом разница в интенсивности сигнала от коллагеновых волокон и живых тканей позволяет хорошо отличать их друг от друга, — рассказал «Известиям» один из авторов разработки, младший научный сотрудник Института регенеративной медицины Сеченовского университета Сергей Ткачев.
Он добавил, что предложенный способ предполагает проведение исследований в воде, что позволяет сохранить как сами живые ткани, так и исходную архитектуру матрицы. Вместе с тем метод позволяет визуализировать поры диаметром всего несколько микрометров (мкм), что дает возможность с высокой точностью контролировать пространственное распределение клеток внутри матрицы и в целом процесс развития искусственных тканей.
Где применяют искусственные биоткани
— Выращивание тканей в коллагеновых матрицах происходит двумя способами. Первый — в чашке Петри, когда заселенную клетками матрицу кладут в питательную среду и дожидаются созревания ткани, после чего ее имплантируют. Второй, более продвинутый, — с помощью биореакторов, в которых создают естественные токи жидкостей, перепады уровня кислотности и поддерживается нужная температура. Это позволяет создать более естественные условия созревания ткани и получить более качественный биоэквивалент, — пояснил соавтор исследования, руководитель Центра инновационных коллагеновых разработок, директор департамента передовых исследований и разработок Сеченовского университета Артем Антошин.
По его словам, предложенный метод позволяет создавать детальные 3D-модели биоконструкций, проводить математические расчеты и прогнозировать изменения, которые в них происходят. Это дает возможность более тонко управлять процессом формирования биотканей.
— Сейчас, когда специалисты создают матрицы, они подбирают параметры практически вслепую. Конечно, если есть обратная связь в виде визуализации структуры, пористости, хода пор, их направления — это очень важно. Для хряща, допустим, нужно вертикальное направление пор, они должны идти вверх. Для костной ткани поры должны быть шарообразные, гомогенно распространенные, как в обычной губке. И возможность оценить структуру на этапе создания матрицы позволит создавать более качественные биоэквиваленты, — объяснил Артем Антошин.
Как рассказали ученые, по мере развития метода, исследователи смогут создавать все более сложные виды тканей. К примеру, специалисты получат возможность отслеживать, как ведут себя клетки в биоэлектронике — устройствах в которых живые клеточные структуры используют для обработки электрических сигналов.
Другое потенциальное применение — это проектирование «органов на чипе» — приборов, которые основаны на реакции клеточных культур на различные физические и химические раздражители. Такие устройства применяют для изучения течения болезней и тестирования новых лекарств. В перспективе по мере доработки предложенный метод может быть внедрен в автоматизированные комплексы для выращивания клеточных культур. Например, в специализированных инкубаторах или на космических микробиологических фабриках.
— Новый способ в том числе позволит визуализировать клетки «внутри» искусственных тканей, что ранее было затруднено вследствие высокой оптической плотности таких биологических объектов. В частности, это могут быть как трехмерные модели раковых опухолей. К примеру, с их помощью врачи смогут моделировать процессы проникновения злокачественных образований в соседние области или рост сосудов в трансформированной ткани. Это даст возможность смоделировать оптимальный путь доставки иммунных клеток для таргетной терапии, — отметила заведующая лабораторией клеточных технологий и тканевой инженерии НИИ молекулярной и клеточной медицины Медицинского института Российского университета дружбы народов имени П. Лумумбы Ирина Арутюнян.
При этом она отметила, что зачастую исследователь сам не всегда способен предугадать, как предложенный им метод будет использован другими научными группами. Также можно предположить, что благодаря предложенному методу можно будет изучать пути миграции клеток в процессе развития или регенерации того или иного органа.
— Представленная разработка значительно расширит возможности современных компьютерных микротомографов. Безусловно, такие исследования важны в тканевой инженерии, в разработке искусственных органов и тканей, в создании биоэквивалентов для проведения экспериментальных работ и в других биомедицинских приложениях, — считает руководитель центра превосходства «Персонифицированная медицина» Казанского (Приволжского) федерального университета, член-корреспондент Академии наук Республики Татарстан Альберт Ризванов.
Однако, по его словам, остается ряд ограничений. Например, из-за того что образцы исследуются в растворе, в жидком состоянии, они требуют определенной фиксации. Кроме того, метод пока не позволяет различать живые и мертвые клетки.
Вместе с тем, подчеркнул эксперт, это еще один шаг в создании инструментов, которые помогут понять, как устроен клеточный мир. В дальнейшем полученные данные помогут освоить природоподобные технологии — основанные на подражании естественным процессам.
