Российские ученые выяснили, как ведут себя при натяжении волокнистые материалы для регенерации тканей. Поскольку при деформации изменяются плотность их упаковки и толщина нитей, выводы авторов дадут возможность подбирать оптимальные условия для роста и дифференцировки клеток, а значит, более быстрого восстановления тканей после повреждения.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymers.

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.

Микроструктура волокнистого материала при разной степени растяжения: (а) без деформации, (b) при растяжении на 30% исходной длины, (с) на 50%, (d) на 250%, (e) на 400%, (f) на 550%. Источник: Khramtsova et al. / Polymers, 2022

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 мини-машину 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.

«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», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Егор Мороков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН.