Исследователи нашли способ превращения любой биологической ткани в эластичный гидрогель. Модифицированные таким образом ткани можно растягивать и внедрять в них измерительные зонды, не повреждая при этом ни одной клетки. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Methods.

Большая часть биологических тканей растягивается очень плохо. Как правило, при довольно небольшой нагрузке в них начинают происходить необратимые изменения, повреждающие внутреннюю структуру. Однако возможность сильно растягивать живые ткани очень пригодилась бы исследователям. Зачастую ученые хотят получить больше данных о процессах, которые происходят внутри органов и тканей, но завести туда измерительные зонды без нанесения повреждений очень сложно.

Выход из этой ситуации нашли ученые из Кореи и США во главе с Kванхунь Чунем (Kwanghun Chung), адъюнкт-профессором Массачусетского технологического института. В рамках своего проекта по созданию трехмерной модели человеческого мозга исследователи разработали новый метод анализа биологических тканей. Технология получила название ELAST (entangled link-augmented stretchable tissue-hydrogel).

В ходе нее ткань или даже целый небольшой орган помещаются в раствор мономера, который затем полимеризуется с образованием пленки, способной увеличиваться в длину до 36 раз. Растянув таким образом образец ткани, можно увеличить расстояние между ее клетками и поместить между ними зонд, не повреждая клеточные структуры. После медленного возвращения в исходное состояние толщина полимера увеличится, а зонд окажется внутри ткани. Целостность ткани сохраняется благодаря тому, что ее клетки ковалентно связываются с молекулами полимера. Эти молекулы держат клетки ткани вместе, не давая им оторваться друг от друга.

В качестве мономера исследователи использовали акриламид. Полимеры этого соединения широко используются для очистки воды, химического анализа и наращивания хрящей, например, при остеоартрозе и артрите. Столь широкое применение полиакриламида возможно благодаря способности растворяться в воде, образуя при этом полианион.

Но свойства полиакриламида, как и большинства полимеров, сильно зависят от степени полимеризации. Этот показатель отражает количество элементарных звеньев в одной молекуле полимера. При увеличении степени полимеризации возрастает длина молекул и, соответственно, их площадь соприкосновения друг с другом. Длинные цепи полимера переплетаются в крепкую сетчатую структуру, которая обладает более высокой температурой плавления, механической прочностью и эластичностью по сравнению с ее низкомолекулярными аналогами.

Схематичное изображение процесса внедрения зонда в «эластизированную» биологическую ткань. / Taeyun Ku et al. / Nature Methods, 2020

Чтобы создать эластичный полиакриламид, ученые использовали высококонцентрированный раствор мономера (20–60 объемных процентов) и очень низкие концентрации инициатора полимеризации и кросслинкера — вещества, которое ковалентно сшивает молекулы гидрогеля с биологической тканью.

На первом этапе исследователи синтезировали полимеры при различных концентрациях мономера и измерили их механические свойства. Затем авторы выбрали оптимальную концентрацию исходного соединения и попробовали полимеризовать его, заключив внутрь живую ткань.

В результате ученым удалось получить запечатанные образцы тканей мозга человека и мыши. Затем авторы испытали образцы и показали, что их длину и ширину можно увеличивать в 10 раз практически без потери исходной клеточной архитектуры. Кроме тканей мозга исследователи смогли успешно эластизировать клетки сердца и толстой кишки. После этого ученые решили проверить, насколько при растяжении ткани увеличится скорость диффузии веществ внутрь него. Для этого они растянули полимер с тканью и поместили его в раствор декстранового красителя.

Наблюдая за распространением флюоресцирующих молекул красителя, ученые выяснили, что время диффузии сократилось в девять раз по сравнению с нерастянутым образцом. Это значит, что поместить в такую ткань биоактивные молекулы можно в девять раз быстрее, чем удавалось сделать ранее. Такие молекулы могут показывать, например, место экспрессии определенного белка в мозге или другой ткани.

В нынешнем виде процесс эластизации занимает 20 дней. Но исследовать биологические ткани этим методом все равно оказывается быстрее, чем использовать сегодняшние технологии.