Биоинженерные клеточные стенки открывают новые медицинские и исследовательские возможности

Биомедицинские инженеры из Penn State разработали процесс создания защитных синтетических растительных клеточных стенок вокруг животных клеток. Работа, опубликованная в Nature Communications, может иметь значительный потенциал для различных медицинских и биопроизводственных применений для здоровья человека.

Растительные клетки индивидуально заключены в ультратонкие клеточные стенки, которые поддерживают структуру клетки и защищают её внутренние органеллы от воздействий окружающей среды, таких как тепло и напряжение сдвига. Клетки человека и других млекопитающих не имеют этой внешней стенки, что делает их уязвимыми для повреждения или уничтожения. Создавая клеточную стенку из биомиметических материалов — синтетических материалов, имитирующих биологию, — исследователи могут защищать человеческие клетки для использования в in vitro клеточной терапии для лечения заболеваний и в биопечати.

Хотя некоторые техники, такие как инкапсуляция в гидрогеле, существуют для защиты клеток млекопитающих в лабораторных условиях, они толстые и ограничивают доступ питательных веществ и кислорода, снижая выживаемость клеток. По словам Юна Вана, профессора биомедицинской инженерии и руководителя исследования, эта проблема защиты клеток изучается полвека. Подход Вана является новым.

"Никто никогда не создавал наноматериал, который мог бы действительно имитировать структуру и функции растительной клеточной стенки; наша концепция совершенно нова", — сказал Ван.

Материал назван биомиметическими клеточными стенками (БКС). Процесс их создания сравним со строительством дома: сначала закладывается фундамент, затем возводится каркас, а потом монтируются перекрытия.

"Аналогично, мы синтезируем БКС с каркасным шаблоном, и на его основе выстраиваем сшитую матрицу", — пояснил Ван. — "Каркасные шаблоны подобны деревянным балкам, а сшитые матрицы — гипсокартону".

Каркасный шаблон — это супрамолекулярная ДНК-структура, состоящая из блоков ДНК, соединённых с натуральными полисахаридами. Она направляет формирование сшитой матрицы из связанных молекул сахара и аминокислот. Эта матрица образуется поверх шаблона, создавая клеточную стенку.

Исследование показало, как нуклеиновые кислоты можно использовать в качестве структурного шаблона для наносборки различных молекул. Критически важно, что шаблон также позволяет немуклеиновым материалам прикрепляться к поверхности клетки, позволяя БКС окружать клетки.

"Самое главное, этот процесс не требует сложного оборудования. Но он позволяет защищать клетки млекопитающих in vitro и in vivo", — отметил Ван. — "БКС фактически становятся частью клетки".

Исследователи продемонстрировали, что клетки в БКС защищены не только от физических воздействий, но и от биологических атак, таких как отторжение иммунной системой.

"Если у нас есть эта биоинженерная клеточная стенка на поверхности клетки, чтобы защитить её от биологических атак, клетки могут выживать достаточно долго для эффективной клеточной терапии таких заболеваний, как сердечные нарушения и диабет", — сказал Ван.

По словам Вана, использование БКС может радикально улучшить лечение пациентов с диабетом.

"Трансплантация инсулин-продуцирующих бета-клеток была бы более эффективным лечением диабета, чем инъекции инсулина... Однако без клеточных стенок иммунная система пациента убьёт клетки в течение недели. Мы обнаружили, что БКС обладают большим потенциалом для их защиты".

Ван также отметил, что БКС могут оказать значительное влияние на биопроизводство, особенно на 3D-биопечать. Чернила для биопечати состоят из живых клеток.

"Во время биопечати клетки могут быть повреждены... Если добавить клеточную стенку на поверхность, то клетка будет защищена в процессе печати".

Следующие шаги команды — оптимизация и настройка БКС для различных применений. Например, для терапии диабета требуется более прочная структура БКС из-за силы атак иммунной системы на бета-клетки.

"Если вы работаете с клетками млекопитающих и вам нужно защитить клетки, этот метод поможет", — заключил Ван. — "Потенциальных применений так много, всё зависит от воображения исследователя при настройке свойств БКС для конкретной задачи".