Самособирающиеся пузырьки и мембраны для культивирования клеток и многого другого
Работающие под руководством профессора Сэмюеля Стаппа (Samuel I. Stupp) ученые Института БиоНанотехнологии в медицине, входящего в структуру Северо-Западного университета (Чикаго, США), разработали метод самосборки пузырьков, пригодных для инкапсуляции и выращивания клеток в культуре. Помещенные внутрь пузырьков стволовых клетки нормально функционируют в течение нескольких недель. Это обусловлено тем, что мембрана пузырьков проницаема даже для самых крупных белковых молекул.
Исследователи начали работу с двумя интересующими их соединениями, которые растворили в воде и попытались смешать полученные растворы. Совершенно неожиданно в момент контакта жидкостей мгновенно сформировалась плотная мембрана, изучению механизмов формирования которой ученые посвятили дальнейшую работу.
Одним из используемых в работе соединений послужил впервые синтезированный Стаппом семь лет назад амфифильный пептид (peptide amphiphile, PA), малые молекулы которого сыграли важную роль в его работе по регенеративной медицине. Второе соединение – это гиалуроновая кислота – биополимер, встречающийся в организме в составе суставов и хрящей.
Использование этих двух соединений позволило ученым создать множество различных структур, наиболее важными из которых являются заполненные жидкостью плотные мембранные пузырьки и плоские мембраны. Создаваемые структуры могут быть практически любого размера и формы, над ними можно производить манипуляции с помощью пинцета, а также восстанавливать возможные повреждения посредством активации механизма самосборки. Более того, материал достаточно прочен и его можно пришивать к биологическим тканям с помощью шовного материала.
Крупные (гиалуроновая кислота) и мелкие (амфифильный пептид) молекулы объединяются за счет надмолекулярных взаимодействий, а не ковалентных связей, как при химических реакциях.
Для создания плоских мембран на дно неглубокой емкости помещают раствор амфифильного пептида, поверх которого наслаивают раствор гиалуроновой кислоты. В результате в зоне контакта жидкостей формируется твердая мембрана. С помощью различных емкостей исследователи получили мембраны различной формы, в том числе в виде звезд, треугольников и шестиугольников. Противоположные поверхности таких мембран обладают разными химическими свойствами. При высушивании мембраны приобретают плотность и прочность пластика.
Для формирования пузырьков ключевым моментом является тот факт, что молекулы гиалуроновой кислоты крупнее и тяжелее молекул амфифильного пептида. Процесс синтеза в этом случае заключается в том, что в глубокую пробирку, заполненную раствором амфифильного пептида, наливают раствор гиалуроновой кислоты. По мере погружения ее тяжелых молекул более легкие молекулы пептида покрывают опускающийся раствор, в результате чего формируется мембранный пузырек, внутри которого содержится раствор гиалуроновой кислоты. (Процесс формирования крошечного пузырька, не в пробирке, а в капле раствора, можно посмотреть на видеоролике – коротком, но впечатляющем). Повреждения таких пузырьков восстанавливаются помещением капли раствора амфифильного пептида на место разрыва, которое моментально затягивается.
Авторы также изучили жизнеспособность стволовых клеток, оказавшихся внутри мембранных пузырьков в процессе самосборки. При культивировании в соответствующей питательной среде (это она придает пузырьку на рисунке розоватый цвет) содержащиеся в пузырьках клетки сохраняли жизнеспособность в течение четырех недель. Кроме того, мембрана проницаема даже для крупных белковых молекул факторов роста, которые, проникая внутрь пузырьков, стимулируют дифференцировку клеток.
По словам Стаппа, гены, миРНК и антитела также должны проникать через мембрану, что свидетельствует о большом потенциале использования изобретения в исследовательских и медицинских целях. Например, внутрь таких пузырьков можно помещать опухолевые клетки и изучать их реакции на различные методы лечения, а также на молекулярные сигналы, высвобождаемые клетками, содержащимися в соседних пузырьках.
Мембрана обладает уникальной иерархической структурой. Она формируется в результате динамического процесса самосборки и состоит из расположенных перпендикулярно плоскости мембраны гибридных волокон, в состав которых входят два типа молекул. Такую структуру очень сложно получить при спонтанной самосборке материалов. Авторы считают, что подбор оптимальных соединений позволит создать, например, толстую мембранную структуру, пригодную для производства солнечных аккумуляторных батарей, либо наноколонок для каталитических наноустройств.
В то время как структура пузырьков и мембран строго упорядочена на наноуровне, сами пузырьки и мембраны не только видны невооруженным глазом, но могут быть практически любого размера.
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru по материалам Northwestern University
04.04.2008