| Название: | Влияние структурирования белков внеклеточного матрикса под действием электрического поля на поведение клеток для задач тканевой инженерии |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 04 - Биология и науки о жизни |
| Научная дисциплина: | 04-209, 04-205, 04-204 - Биофизика |
| Ключевые слова: | Структурированный коллаген, фибриллизация, молекулярный коллаген, клетки, внеклеточный матрикс, нативная ткань, электрические поля, роговица глаза. |
| Время действия проекта: | 2021-2024 |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Нащекин,АВ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 21-74-20120 |
Коллаген – один их главных компонентов внеклеточного матрикса, присущий различным типам тканей, в каждой из которых, он имеет определенную структуру. Он широко используется для приготовления носителей (скаффолдов) для культивирования и трансплантации различного типа клеток при восстановлении повреждённых тканей. В организме внеклеточный матрикс преимущественно состоит из микро- и нанопаттернов, имеющих изотропный или анизотропный характер. Так, строма роговицы глаза - ткань с выраженной топографической структурой. Заболевание (помутнение) роговицы (роговичная слепота) – одно из самых распространенных причин инвалидности по поводу патологии органа зрения, связано именно с нарушением структурной организации коллагена роговицы. По данным ВОЗ, около 8 миллионов человек во всем мире слепы в результате патологии роговицы, при этом ежегодно в мире проводится менее 100.000 операций по трансплантации роговицы. Долгосрочные наблюдения показывают, что судьба роговичного трансплантата не столь оптимистична, как это принято считать. Все это доказывает актуальность работ в данном направлении.
Исследования in vitro взаимодействия клеток с рифлёной поверхностью показали влияние топографии поверхности на поведение клеток: на адгезию, морфологию, ориентацию, пролиферацию, миграцию и дифференцировку клеток. К примеру, шероховатость и наноостровки на поверхности могут оказывать влияние на адгезию клеток, а борозды на их морфологию, ориентацию и миграцию. Критическое влияние на оказываемый эффект играет высота, диаметр и расстояние между топографическими элементами.
К сожалению, общепринятые методы формирования носителей на основе коллагена не позволяют контролировать структуру носителя, а именно, размеры фибрилл, их упорядочение и ориентацию. Одним из перспективных способов формирования ориентированных фибрилл является электрохимический метод, однако в современной научной литературе данных по применению данного метода ничтожно мало. Это объясняется сложностью фундаментальных механизмов самосборки молекулярного коллагена в условиях внешних полей.
Поэтому данный Проект нацелен на исследование возможностей управления поведением клеток, культивируемых на белках, структурированных во внешнем электрическом поле.
Ожидаемые результаты
В течение 2021-22 годов будет проведено физико-математическое моделирование процессов упорядоченной сборки в условиях приложения внешнего электрического поля с учетом равномерного распределения заряженных функциональных групп по всей длине молекулы коллагена.
Будет разработана и изготовлена электрохимическая ячейка с золотыми электродами различной конфигурации (обеспечение различной напряженности поля, а также вариации формы прикладываемого потенциала), отработаны условия электрохимического формирования коллагеновых фибрилл, состав рабочего раствора и оптимальные внешние факторы (сила тока, напряжение, частота и напряженность электрического поля).
Для формирования поперечных сшивок будет разработан метод химического связывания молекул коллагена и фибрилл.
Будет оценена структура сформированных фибрилловых структур и их механическая прочность в зависимости от состава рабочего раствора и условий формирования.
В течение 2023 года после отработки электрохимических условий формирования фибрилл в состав рабочего раствора будут введены дополнительные компоненты внеклеточного матрикса и изучены механизмы формирования композиционных структур, максимально идентичных нативной ткани.
На заключительном этапе проекта серия композиционных фибриллообразных коллагеновых структур будет протестирована на клеточных культурах. Предполагается изготовление прототипа искусственной роговицы глаза.
Научная значимость результатов работы заключается в глубоком фундаментальном понимании механизмов самосборки молекулярного коллагена и его структурирование при внешнем воздействии электрических полей заданной конфигурации.
Прикладное значение полученных результатов сложно переоценить. Разработанные структуры найдут применение для задач офтальмологии, тканевой инженерии, для проведения операций по трансплантации органов животных и человека.
