Клетки в составе самых различных тканей окружены внеклеточным матриксом — структурой, которая служит средой для жизни, миграции, размножения и дифференцировки клеток. В основном матрикс состоит из гликопротеинов и протеогликанов — молекул, которые содержат белковую и углеводную части в разном соотношении. Однако химический состав, плотность и текстура этого клеточного окружения отличаются в разных тканях — они выполняют своего рода сигнальную функцию для стволовых клеток, которые благодаря ему решают, в клетки какого типа превратиться. Так, например, в объемном матриксе с большим количеством коллагена будут развиваться клетки соединительной ткани, тогда как в среде, богатой минералами, — структурные элементы кости.
Помимо отличий в строении и свойствах матрикса есть различия и в том, насколько быстро ткани могут регенерировать. Нервная ткань, сердечная мышца и соединительная ткань в сухожилиях плохо восстанавливаются после повреждений из-за особенностей матрикса, поэтому ученые разрабатывают его искусственные аналоги, которые возьмут работу по направлению регенерации на себя.
К искусственному матриксу предъявляется ряд требований: он должен быть биосовместимым, то есть поддерживать рост, размножение и дифференцировку клеток, а также иметь свойства, схожие с таковыми у природного матрикса. В противном случае клетки, взаимодействуя с ним, не будут делиться, и эффективного восстановления структуры тканей не получится. Кроме того, материал должен быть достаточно прочным, чтобы обеспечить необходимую опору.
Ученые из Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН (Москва), Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Москва) и Московского физико-технического института (Москва) исследовали прочность искусственного матрикса и изменение его микроструктуры при растяжении в водной среде — в условиях, схожих с таковыми в живом организме. Для этого авторы синтезировали волокнистый материал на основе поли-L-молочной кислоты — биоразлагаемого и биосовместимого полимера.
Исследование полученных волокон под микроскопом показало, что их диаметр составил в среднем пять микрометров — в десять раз тоньше человеческого волоса. Нити в составе искусственного матрикса располагались разнонаправленно, формируя сложную объемную сеть. Материал при этом имел высокую плотность — на один миллиметр матрикса приходилось около полутора тысяч волокон, что примерно на три порядка больше, чем в самом плотном текстиле.
Чтобы исследовать, какие изменения происходят с нетканым матриксом при механических нагрузках, ученые использовали уникальную экспериментальную установку, которая соединяла в себе высокочастотный импульсный ультразвуковой микроскоп и минимашину механического нагружения. Такое сочетание приборов позволило в динамике наблюдать за изменением микроструктуры материала в процессе его растяжения в водной среде. Подобное исследование невозможно осуществить с помощью других классических подходов, например оптической и электронной микроскопии.
Оказалось, что при растяжении на 30% от исходной длины волокна распутывались и ориентировались преимущественно вдоль оси, по которой деформировали материал. Кроме того, плотность образца снизилась примерно вдвое. При дальнейшем воздействии нити матрикса и его плотность в разы уменьшились, пока не был достигнут предел прочности. Так, при растяжении на 400% от исходной длины упаковка волокон стала более плотной за счет того, что все нити ориентировались вдоль одной оси. Дальнейшая нагрузка приводила к разрыву материала.
Руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Егор Мороков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН рассказывает:
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.