Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1. Регенерация костной ткани.
Рисунок 2. Остеогенные клетки. В вернем ряду приведены изображения подложек, полученных EBL. Второй и третий ряды: визуализация белков внеклеточного матрикса костной ткани (остеопонтина и остеокальцина, соответственно) методом иммунофлуоресценции (окрашено зеленым). Красным окрашен актин – белок, присутствующий во всех клетках и позволяющий оценить их форму и количество. а, f – контроль (клетки, выращенные на ровной подложке из PMMA). b, g –подложка HEX, обратите внимание на существенно меньшее количество клеток. c, h – подложка SQ. d, i – DSQ50; на такой подложке получен наилучший результат: видно присутствие остеопонтина, остеокальцина и формирование островка окостенения. e, j – RAND.
Рисунок 3. MSC. В вернем ряду: изображения подложек. Второй и третий ряды: визуализация белков методом иммунофлуоресценции. Зеленым окрашены остеопонтин и остеокальцин, соответственно, красным – актин. a, f – контроль; обратите внимание, что клетки имеют морфологию фибробластов: они вытянуты преимущественно в одном направлении. b, g – на подложке SQ наблюдается аналогичная картина. c, h – на подложке с несколько разупорядоченными лунками, DSQ20, клетки имеют звездчатую форму, характерную для остеобластов. d, i – наилучший результат достигнут на подложке DSQ50. Видна характерная звездчатая форма клеток, присутствие остеопонтина и остеокальцина, появление островков окостенения. e, j – на подложке с беспорядочно расположенными лунками не видно ничего хорошего. k, l – микрофотографии в светлом поле/фазовый контраст. Препараты окрашены ализарином. Видно, что в контроле клетки имеют морфологию фибробластов, тогда как клетки, выращенные на подложке DSQ50, сформировали зрелый островок окостенения с участками минерализации (отмечено стрелкой).

Нанотехнологии в тканевой инженерии

Ключевые слова:  костная ткань, периодика, регенерация, стволовые клетки, тканевая инженерия

Опубликовал(а):  Трусов Л. А.

16 октября 2007

Создание костной ткани из собственных клеток пациента является важной задачей тканевой инженерии и представляет практический интерес для медицины и ветеринарии.

Основная идея генерации новой кости проста. Из биосовместимого материала делают заготовку, имеющую форму будущей кости. В систему вносят клетки-предшественники костной ткани, которые со временем должны заселить весь объем заготовки. Чтобы клетки росли и развивались, добавляют сигнальные молекулы, факторы дифференцировки и роста клеток кости. Если все условия подобраны правильно, со временем на месте заготовки образуется кость, по прочности и другим характеристикам очень похожая на настоящую (рисунок 1).

В качестве клеток-предшественников костной ткани используют мезенхимальные стволовые клетки (mesenchymal stem cells, MSC), которые находятся, например, в костном мозге каждого человека. Эти клетки в соответствующих условиях могут дифференцироваться в клетки разных типов: жировые, костные, хрящевые, мышцы, клетки соединительной ткани. Для правильного формирования кости необходимо, чтобы MSC дифференцировались в остеогенные клетки, которые в дальнейшем разовьются в зрелые клетки костной ткани – остеобласты и остеоциты.

Однако даже у такого замечательного подхода имеется ряд нерешенных проблем. Например, факторы, стимулирующие образование кости, для каждого пациента должны подбираться индивидуально, с учетом возраста, пола и т.п. Другая трудность заключается в том, что зачастую MSC формируют вокруг заготовки мягкие ткани, прежде чем успеют дифференцироваться в клетки кости и прорасти внутрь.

Группа ученых из Великобритании задумалась над тем, как заставить MSC дифференцироваться в клетки костной ткани без применения химических воздействий. Известно, что дифференцировка MSC in vitro зависит от особенностей подложки, на которой они растут, однако у разных исследователей получались противоречивые результаты. В целом считается, что более шероховатая подложка способствует лучшей дифференцировке клеток костной ткани, однако в некоторых случаях бывает и наоборот.

Британские ученые предположили, что все дело в наноразмерных особенностях шероховатой поверхности. Чтобы проверить свою догадку, они изготовили при помощи метода электронно-лучевой литографии (electron beam lithography, EBL) различные подложки из полиметилметакрилата (PMMA), на которых определенным образом располагались лунки 120 нм в диаметре и 100 нм глубиной. Расстояние между лунками составляло в среднем 300 нм. Помимо подложек с регулярным расположением лунок (в вершинах шестиугольника, HEX, или квадрата, SQ), были также исследованы поверхности с разной степенью разупорядоченности: лунки располагались в пределах 20 нм от вершин правильных квадратов (DSQ20), в пределах 50 нм (DSQ50) или же были нанесены случайным образом (RAND).

В первой серии экспериментов было изучено поведение человеческих остеогенных клеток на таких подложках in vitro. Чтобы оценить эффективность образования внеклеточного матрикса кости, препараты на 21-й день были обработаны антителами к остеопонтину и остеокальцину. Эти белки являются тканеспецифичными внеклеточными компонентами кости. Результат такого эксперимента представлен на рисунке 2. Как оказалось, на подложке с несколько разупорядоченным расположением лунок клетки достигают достаточной плотности и лучше всего синтезируют остеопонтин и остеокальцин. Более того, в этих препаратах было отмечено появление островков окостенения (bone nodule), что является важным этапом в процессе нормального формирования кости.

Однако гораздо интереснее знать, как поведут себя мезенхимальные стволовые клетки и будут ли они дифференцироваться в остеогенные клетки. Поэтому в следующей серии экспериментов исследователи изучили влияние наноструктурированных подложек на развитие MSC. Как и прежде, препараты окрашивали антителами к специфичным белкам внеклеточного матрикса кости (остеопонтину и остеокальцину); кроме того, их окрасили ализарином, чтобы проследить за минерализацией матрикса. Результаты представлены на рисунке 3. Снова оказалось, что наилучшее развитие костной ткани наблюдается на подложке с углублениями, расположенными в пределах 50 нм от вершин правильных квадратов.

Ученые не остановились на достигнутом. Для дальнейших исследований была выбрана подложка, показавшая наилучшие результаты в предыдущих опытах - DSQ50. Чтобы оценить, насколько полученные популяции клеток похожи на настоящую костную ткань, был изучен профиль экспрессии генов этих клеток. В качестве положительного контроля использовали клетки, выращенные на ровной подложке, однако обработанные индуктором формирования костной ткани – кортикостероидом дексаметазоном (DEX). Принято считать, что при обработке DEX клетки формируют костную ткань. В качестве отрицательного контроля взяли клетки, выращенные на ровной подложке без какой-либо дополнительной обработки. Оказалось, что профиль экспрессии генов довольно близок к положительному контролю, хотя в некоторых деталях и отличается от него. Однако по крайней мере часть отличий вызвана влиянием DEX на стероидные рецепторы и не связана с развитием костной ткани.

На основании проделанных экспериментов ученые заключают, что нашли способ выращивать клетки костной ткани без применения химических воздействий. Несомненно, это важный шаг в области тканевой инженерии кости.

Работа "The control of human mesenchymal cell differentiation using nanoscale symmetry and disorder" опубликована в "Nature Materials". doi:10.1038/nmat2013


Источник: Nature Materials



Комментарии
Shelkovin Aleksandr Pavlovich, 11 марта 2009 15:19 
Замечательная разработка!!! Ксатти, как фактор роста можно ещё испоьзовать BMP-2

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Новогоднее Нанолепие
Новогоднее Нанолепие

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Нитрид-борные нанокомпозиты для доставки лекарств. 2D наноматериалы помогут создать портативную искусственную почку. Обзор по cтрейнтронике. Доставка лекарств с помощью борнитридных фуллеренов. Речные фуллерены. Научный хит-парад 2018 по версии APS

Лекция Константина Севернинова: от бактериального иммунитета к геномному редактированию
20 декабря состоялась лекция молекулярного биолога, профессора Константина Северинова.
На лекции обсуждались вопросы: какова природа генетических болезней, и сможем ли мы лечить их в ближайшем будущем; что такое система CRISPR-Cas, и как бактерии используют её для борьбы с вирусами, и как изучение этого необычного механизма привело к созданию мощного инструмента геномного редактирования.

Наносистемы: физика, химия, математика (2018, том 9, № 6)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume9/9-6
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Эффект лотоса
Никельшпарг Эвелина Ильинична
Кратко и поэтично об одном из самых известных эффектов, который так любят школьники и участники наноолимпиады - об эффекте лотоса...

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.