Ученые БФУ создали гибкий и прочный каркас для выращивания клеток на основе белка-коллагена, выделенного из кальмара. Предложенный материал по химическому составу близок к белкам млекопитающих и не токсичен, а потому способствует быстрому прикреплению и делению культур стволовых клеток человека. Разработка поможет ускорить выращивание клеточных культур, которые используются в медицине для пересадки на место поврежденных тканей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.
Коллаген — основной белок, составляющий межклеточный матрикс, то есть «окружающую среду» для клеток в соединительных тканях нашего организма, таких как сухожилия, кости и хрящи. Он похож на длинные нити, сплетающиеся в трехмерные сети. Те, в свою очередь, создают своего рода каркас ткани. Благодаря тому, что коллагеновые волокна прочные и эластичные, а также служат сигналами, определяющими «судьбу» клеток, в медицине их используют в качестве среды для ускорения роста и дифференциации тканей, например при заживлении ран. Чаще всего такие материалы синтезируют искусственно из растворенного в воде коллагена, однако даже самые современные технологии не позволяют получать коллагеновые «сети», в точности повторяющие структуру естественного клеточного окружения, которое наиболее благоприятно для регенерации, то есть восстановления, ткани.
Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта с коллегами из Воронежского государственного университета (Воронеж) предложили использовать в качестве каркаса для выращивания клеток не искусственно синтезированный коллаген, а естественный белок, выделенный из кальмара Dosidicus gigas. Это крупное морское животное — наиболее популярный промысловый вид кальмаров, который используется кулинарами для приготовления блюд, а также учеными в исследованиях мозга животных и их поведения. В связи с доступностью и большими объемами вылова Dosidicus gigas — до 700 тысяч тонн в год — этот вид может стать источником коллагена для медицинских целей в промышленных масштабах.
Авторы выделили из кожи кальмара коллаген, после чего белок смешали с глицерином и водой и подсушили в специальной камере, чтобы придать ему форму каркаса. Прочность и эластичность полученного волокнистого материала проверили, растягивая образец. Оказалось, что по механическим свойствам он соответствовал материалам, уже используемым в регенеративной медицине в качестве каркасов для клеток. Анализ последовательности аминокислот, входящих в состав белка, показал, что коллаген Dosidicus gigas близок к коллагену млекопитающих, благодаря чему его можно использовать при работе с человеческими клетками без риска отторжения.
Чтобы экспериментально доказать, что коллагеновый каркас подходит для выращивания человеческих клеток, ученые поместили образцы материала в небольшие пластиковые лунки, заполненные питательной средой, после чего на их поверхность нанесли культуру стволовых клеток человека.
Наблюдение за культурами показало, что спустя четыре дня клетки прочно связались с коллагеновым каркасом, сформировав с ним и друг с другом большое количество контактов. Кроме того, клетки начали активно взаимодействовать с подложкой и преобразовывать ее, выделяя в окружающую среду компоненты внеклеточного матрикса — молекулы, которые играют важную роль при восстановлении ткани. Также авторы пришли к выводу, что коллаген кальмара не токсичен, поскольку средняя выживаемость клеток, выращиваемых на нем, составила 90%.
«Технология создания коллагеновых каркасов из белка кальмара довольно проста, а потому может легко применяться в промышленных масштабах. Эксперименты показали, что предложенный нами материал имеет высокую прочность и эластичность, он биосовместим, нетоксичен, а также способствует росту, делению и миграции эмбриональных клеток человека. Это говорит о том, что его можно считать перспективной заменой синтетическому коллагену, используемому сегодня в регенеративной медицине», — рассказывает Евгений Чупахин, доцент ОНК «Институт медицины и наук о жизни» БФУ им. И. Канта.