Ученые разработали многофункциональные материалы на основе волокон, покрытых слоем полимеризованного дофамина, которые стимулируют рост и развитие нейронов под действием инфракрасного света. Полученные материалы поглощают инфракрасное излучение и управляемо нагреваются, при этом максимальное увеличение внутренней температуры клеток составляет 20°С. Такая стимуляция, в свою очередь, в два раза увеличивает количество нейронов с длиной отростков более 80 микрометров. Так как нервы человека формируются именно отростками нейронов, разработанный материал потенциально может использоваться в медицине для стимуляции роста поврежденных нейронов и восстановления иннервации органов и тканей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Smart Materials in Medicine.
Графическое представление исследования
Различные травмы или воспалительные процессы могут привести к разрыву или растяжению нервов у человека и нарушению иннервации конечностей или органов, то есть к повреждению их связи с центральной нервной системой. Поэтому разработка материалов, позволяющих выращивать нервные клетки, — одна из задач регенеративной медицины. Стимулировать рост нейронов можно, например, с помощью фототермических материалов, которые поглощают свет с определенными длинами волн и преобразуют его в тепло. Повышение температуры способствует синтезу белка в клетках и их росту. Однако введение фототермических наночастиц в клетки может и навредить — привести к нарушению клеточных функций и дальнейшему повреждению. Поэтому ученые стремятся получить фототермические материалы, которые будут работать вне клеток.
Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино) разработали материал из нановолокон, покрытых полидофамином. Полидофамин — это полимер, состоящий из молекул дофамина. Он биосовместим и биоразлагаем, то есть не нарушает работу клеток, а также эффективно поглощает инфракрасное излучение.
В качестве матрицы исследователи использовали нейлоновые нановолокна, имитирующие структуру внеклеточного матрикса — естественной среды, в которой находятся нервные клетки. Эту матрицу на сутки погружали в раствор соли дофамина, который при температуре 37°С самопроизвольно полимеризовался (собирался в длинные цепочки) на поверхности волокон. Изменяя содержание дофамина в растворе, можно контролировать толщину покрытия.
Исследователи проверили биосовместимость полученных материалов. Для этого из них изготовили подложки, на которых в течение трех суток выращивали клетки нейробластомы человека. Это культура быстрорастущих клеток, полученная из опухоли нервной системы. Она часто используется как модель человеческой нервной ткани. Жизнеспособность клеток зависела от концентрации дофамина, используемого для покрытия. Однако даже при самой большой исходной концентрации (0,5 миллиграмм в миллилитре) на материале выживало 84% клеток. Это говорит о том, что композитные материалы безопасны и не вызывают массовой гибели нервных клеток.
Затем ученые проанализировали, как менялась температура в клетках, находящихся на поверхности фототермических волокон, при воздействии инфракрасного облучения. Для этого авторы ввели в клетки краситель родамин B, яркость свечения которого меняется при изменении температуры. Предложенный подход позволил достичь изменения внутриклеточной температуры до 20°С.
Также авторы проверили, как облучение нанокомпозитов инфракрасным светом влияет на развитие нервных клеток. Такое воздействие значительно ускорило рост нейронов: доля отростков длиннее 80 микрометров увеличилась в два раза, а также появились отростки длиной 120–200 микрометров, в то время как без облучения максимальная длина не превышала 80 микрометров.
Полученные материалы имеют важное преимущество — они способны выделять тепло при облучении светом в ближнем инфракрасном диапазоне. Это так называемое окно биологической прозрачности — такое излучение слабо взаимодействует с живыми тканями и способно проникать в них на глубину до 10 сантиметров. Поэтому на базе таких материалов можно будет создавать имплантируемые медицинские изделия, которые смогут удаленно стимулировать восстановление нервной ткани. За счет этого нагрев можно локализовать строго в нужном месте и избежать термического повреждения окружающих тканей.
«Одно из направлений наших исследований — создание вживляемых имплантатов для нейрохирургии, позволяющих соединять разорванные при травмах периферические нервы с последующей фототермической стимуляцией роста нервных окончаний. Также мы ведем совместную работу со специалистами по биопринтингу в направлении создания 3D-печатных тканеинженерных конструкций, позволяющих удаленно контролировать клеточную активность. Такие изделия могут найти применение как в клеточной инженерии для изучения процессов регенерации тканей, так и в трансплантологии», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Антонова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН.
Текст: пресс-служба РНФ
Аntonova, О. Y., Kochetkova, O. Y., Tailakov, M., & Kanev, I. L. (2025). Light-responsible ECM-mimetic scaffolds for neural differentiation. Intracellular versus extracellular photothermal stimulation. Smart Materials in Medicine, 6(1), 8–22. https://doi.org/10.1016/j.smaim.2025.02.002
Свежие комментарии