Новый каркас из силикатного нетканого полотна улучшает понимание межклеточных взаимодействий

Коммуникация и координация между различными клетками — фундаментальные процессы, регулирующие многие функции организма. Этот процесс, известный как паракринная сигнализация, включает высвобождение сигнальных молекул клеткой во внеклеточный матрикс (ECM) или окружающую среду. Эти молекулы затем обнаруживаются соседними клетками, что приводит к различным клеточным ответам.

Например, при повреждении клеток/тканей паракринная сигнализация высвобождает факторы роста, которые сигнализируют близлежащим стволовым клеткам о необходимости восстановления ткани. Подобные процессы регулируют и другие жизненно важные функции: пищеварение, дыхание, размножение. Паракринные сигналы также влияют на экспрессию и активность ферментов, участвующих в метаболизме лекарств.

Сигнальные молекулы, которые могут содержать белки и генетический материал, транспортируются внутри крошечных везикул, называемых экзосомами. Эти везикулы служат ценными биомаркерами для различных заболеваний и могут быть сконструированы для доставки лекарств, что делает их высокоэффективной системой таргетной терапии. К паракринным мессенджерам относятся, например, гормон окситоцин и нейромедиатор дофамин.

Чтобы исследовать влияние экзосом на межклеточные взаимодействия, группа учёных, включая профессора Хидэнори Оцуку и доктора Сёхэя Исикаву из Токийского университета науки, разработала инновационную систему культивирования клеток. Результаты опубликованы в журнале Biotechnology and Bioengineering 19 мая 2023 года.

Предложенная система решает несколько ограничений, связанных с обычными системами совместного культивирования, где разные типы клеток выращиваются в непосредственной близости.

«Когда клетки культивируются трёхмерно на каркасе, таком как обычный гидрогель, каркас на мембранной вставке, разделяющей их, сжимается по мере пролиферации и дифференцировки клеток. Это подавляет проникновение секретируемых клетками факторов, таких как белки и экзосомы, и приводит к снижению функциональности», — объясняет профессор Оцука.

Другая проблема в таких культурах — разграничить специфические роли прямого физического контакта между клетками и паракринной сигнализации.

Для решения этих задач исследовательская группа разработала трёхмерную модель разделённого совместного культивирования в планшете (прямоугольной пластине со множеством отдельных лунок). Два типа клеток были разделены мембранной вставкой с силикатным нетканым полотном (SNF) — взаимосвязанной сетью высокопористой электроспряденной ткани. В такой разделённой системе исключаются межклеточные взаимодействия через прямой контакт.

Кроме того, высокая механическая прочность и взаимосвязанная пористая сеть SNF способствует росту клеток без усадки или снижения их функции. Это позволяет поддерживать и изучать взаимодействия между разными типами клеток в течение длительного времени.

Используя предложенную модель, исследователи культивировали первичные гепатоциты крыс и нормальные человеческие дермальные фибробласты в отдельных отсеках, но в одной среде. Эти два типа клеток присутствуют в ткани печени.

Гепатоциты отвечают за различные метаболические функции, а фибробласты — это тип клеток соединительной ткани, участвующих в поддержании ECM. Совместное культивирование позволило изучить взаимодействия между ними, а также роль ECM в клеточной стимуляции.

Исследователи наблюдали значительное улучшение клеточных функций при совместном культивировании клеток на каркасе SNF. Уникальные характеристики SNF сделали его идеальным материалом-носителем для изучения межклеточных взаимодействий через паракринную сигнализацию.

Высокая пористость нового каркаса способствовала инфильтрации клеток в 3D-среде, а его высокая проницаемость обеспечила эффективный обмен сигнальными молекулами (или растворимыми факторами) между разными видами клеток.

«В свете наших выводов новая технология обладает огромным потенциалом для таких применений, как скрининг лекарств, тканевая инженерия и регенеративная медицина», — заключает профессор Оцука.