Специалисты создали многофункциональные материалы на основе волокон с полимеризованным дофамином, способные стимулировать рост и развитие нейронов под воздействием инфракрасного света. Материалы поглощают инфракрасное излучение и нагреваются управляемо, при этом максимальное повышение температуры клеток достигает 20°С. Такая стимуляция удваивает количество нейронов с отростками длиной более 80 микрон. Поскольку нервы человека формируются именно отростками нейронов, материал может применяться в медицине для стимулирования роста поврежденных нейронов и восстановления иннервации органов и тканей. поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Smart Materials in Medicine.
Абастрактно-графическое изображение. Автор: Ольга Антонова.
Различные травмы или воспалительные процессы могут спровоцировать разрыв или растяжение нервов у человека, нарушая иннервацию конечностей или органов, то есть связь их с центральной нервной системой. Поэтому разработка материалов для выращивания нервных клеток – одна из задач регенеративной медицины. Рост нейронов можно стимулировать, например, фототермическими материалами, поглощающими свет определённых длин волн и преобразующими его в тепло. Повышенная температура способствует синтезу белка в клетках и их росту. Однако введение фототермических наночастиц в клетки может быть вредным – привести к нарушению клеточных функций и дальнейшему повреждению. Поэтому учёные стремятся получить фототермические материалы, работающие вне клеток.
Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино) разработали Материал из нановолокон, покрытых полидофамином. Полидофамин — полимер, состоящий из молекул дофамина. Это вещество биосовместимо и биоразлагаемо, не нарушая работу клеток, а также эффективно поглощает инфракрасное излучение.
Исследователи применяли нейлоновые нановолокна, копирующие строение внеклеточного матрикса — среды обитания нервных клеток. Матрицу размещали в растворе соли дофамина на 24 часа при температуре 37°С. Дофамин полимеризовался (образовывал длинные цепочки) на поверхности волокон. Толщину покрытия можно регулировать, изменяя концентрацию дофамина в растворе.
Ученые оценили биосовместимость полученных материалов, вырастив на них клетки нейробластомы человека в течение трех суток.
Культура быстрорастущих клеток, полученная из опухоли нервной системы, часто используется для имитации человеческой нервной ткани. Выживаемость клеток зависела от концентрации дофамина, использованного для покрытия. Даже при самой большой исходной концентрации (0,5 миллиграмма в миллилитре) на материале выжило 84% клеток. Это указывает на безопасность композитных материалов и отсутствие массовой гибели нервных клеток.
Ученые изучили изменение температуры клеток на поверхности фототермических волокон под воздействием инфракрасного излучения. Для этого в клетки был введен краситель родамин B, свет которого меняет интенсивность при изменении температуры. Данный метод позволил повысить температуру внутриклеточного пространства до 20°С.
Авторы изучили влияние инфракрасного излучения нанокомпозитов на развитие нервных клеток. Облучение существенно ускорило рост нейронов: количество отростков длиной более 80 микрон удвоилось, а появились и отростки длиной 120–200 микрон, чего не наблюдалось при отсутствии облучения, где максимальная длина отростков составляла 80 микрон.
Авторы. Источник: Ольга Антонова.
Материалы обладают важным свойством — они выделяют тепло при облучении светом ближнего инфракрасного диапазона. Такое излучение слабо взаимодействует с живыми тканями и может проникать в них на глубину до 10 сантиметров, что называется окном биологической прозрачности. На этой основе можно будет создавать имплантируемые медицинские изделия, способные удаленно стимулировать восстановление нервной ткани. Нагрев можно локализовать в нужном месте и избежать термического повреждения окружающих тканей.
Мы исследуем создание вживляемых имплантатов для нейрохирургии, которые соединяют разорванные при травмах периферические нервы и позволяют стимуляцией роста нервных окончаний. Кроме того, совместно с специалистами по биопринтингу разрабатываем 3D-печатные тканеинженерные конструкции для удаленного контроля клеточной активности. Такие изделия могут быть полезны в клеточной инженерии для изучения процессов регенерации тканей и в трансплантологии. — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, Ольга Антонова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук.
Пресс-служба Российского научного фонда предоставила информацию и фотографии.