Коллаген – самый распространенный белок в человеческом теле, он служит природным каркасом для клеток и определяет время и направление их роста. В Институте нанобиотехнологии Университета Джона Хопкинса (INBT) были открыты новые свойства и области применения синтетической молекулы, имитирующей коллаген.

При использовании наночастиц эта молекула, называемая коллаген подобным пептидом (CMP), может передавать подробную информацию о злокачественных опухолях, такую как направление распространения изменений в сосудах и доставка к клеткам лекарств, а также улучшать кровоснабжение имплантированных органов. Несколько полезных свойств CMP описаны в работе профессора в области материаловедения С. Майкла Ю (S. Michael Yu) из Whiting School of Engineering и профессора в области радиологии и онкологии Мартина Помпера (Martin Pomper) из School of Medicine, опубликованной в журнале Biomacromolecules (June 12, 2008).

Фотоснимок, сделанный с использованием просвечивающего электронного микроскопа. На фотографии – раствор волокна коллагена типа I из сухожилия хвоста мыши после инкубации с наночастицами золота. Белые стрелки указывают положение наночастиц в волокнах коллагена

«Коллаген создает пространство для роста клеток, однако есть места, где коллагена быть не должно, – говорит С. Майкл Ю. – Опухоли или сгустки крови, приводящие к инсульту, в первую очередь состоят из коллагена».

Исследования впервые выявили связывание синтетического коллагена с нативным коллагеном в неочищенном ex vivo образце (необработанном образце ткани). Ранее было только исследовано связывание очищенных образцов коллагена в чашке Петри (эта работа была также опубликована С. Майклом Ю). CMP связывается с коллагеном, аккуратно вплетаясь в его канатоподобную трехспиральную структуру. Также исследование показало, что CMP встраивается в определенные четкие точки вдоль каждой цепи коллагена.

«CMP способен незаметно внедряться в структуру коллагена именно в те пространственные интервалы, которые наименее сильно связаны между собой, – говорит С. Майкл Ю. – Используя наночастицы, прикрепленные к CMP и с помощью просвечивающей электронной микроскопии ученые визуализировали конкретные участки связывания. Области связывания были видны как линия, состоящая из черных точек вдоль всей длины коллагенового волокна, подобно отметкам на линейке».

Для исследования способности CMP связываться в условиях незатронутого образца ткани, С. Майкл Ю и М. Помпер прикрепили к концу молекулы CMP флуоресцентый маркер. Затем использовали полученный раствор CMP для связывания с образцом человеческой печени. В результате была получена картина яркого свечения CMP, аналогичная картине выявления нативного коллагена с помощью специфичных анти-коллагеновых антител (обычный метод выявления коллагена). «Это говорит нам, что даже в природной системе CMP связывается только с коллагеном, не затрагивая при этом никакие другие белки – и это никогда раньше не было показано», – комментирует С. Майкл Ю.

«Микроскопическая, нано-размеров, молекула CMP способна создавать изображения с разрешением большим, чем при использовании антител. CMP способен проникать в участки в 20 раз меньшие по размеру, чем антитела». Также радиолог М. Помпер предоставил изображения, показывающие скопление коллагена в местах, где его не должно быть.

Наконец, ученые наблюдали, что при нагревании до 37°С (температура тела) CMP быстро теряет сродство к коллагену и высвобождается. Однако, меняя длину цепи CMP ученые легко могут варьировать время, в течение которого CMP будет оставаться в связанном с коллагеном состоянии. «Чем длиннее цепь, тем дольше CMP остается на месте», – утверждает С. Майкл Ю. Это свойство CMP позволит ему применяться в различных терапевтических и диагностических целях – короткие молекулы для быстрого обследования и длинные – для более продолжительных исследований. Потенциальное использование CMP ограничено только типом молекул, с которыми он связывается. С. Майкл Ю и М. Помпер имеют несколько патентов относительно терапевтического и диагностического применения CMP. В комплексе с наночастицами и нанооболочками, к примеру, молекулы CMP могут служить для картирования заболевания и доставки лекарств к клеткам.

«Одна из областей, в которой мы сейчас работаем – это направленное воздействие с помощью молекул CMP, – рассказывает М. Помпер. – Ключом к этой проблеме послужит выявление разницы в распознавании нормального и патологического коллагена».

Синтетический коллаген также расширяет возможности применения синтетических имплантантов. Природный коллаген содержит химические сигналы, называемые факторами роста, которые ориентируют направление роста клеток относительно кровеносных сосудов. С. Майкл Ю использует факторы роста и CMP для построения организованной сети кровеносных сосудов. Работа, сфокусированная на этих разработках, была опубликована в сентябрьском онлайн – выпуске журнала Biomacromolecules. Однако автор уверен, что панорама поставленной задачи гораздо шире.

«Коллаген – это очень сложная система, и мы не все знаем о нем, – говорит ученый. – Использование синтетических систем может дать много информации и прекрасно работает в случаях решения механистичеких вопросов о клетках и каркасных взаимодействиях, но ученые все же возвращаются к использованию природного коллагена когда речь идет о создании искусственных тканей».

В этой работе помимо С. Майкл Ю и М.Помпера участвовали аспиранты Allen Y. Wang и Xia Mo с факультета наук о материалах, преподаватель Catherine Foss с факультета радиологии и студент Shirley Leong с факультета химической и биомолекулярной инженерии. Исследования финансируются NIH и NSF.

Автор – Мария Костюкова