Группа ученых задумалась над тем, как заставить стволовые клетки человека дифференцироваться в клетки костной ткани без применения химических воздействий. Оказалось, все дело в поверхности, на которой они растут.

Регенерация костной ткани
В вернем ряду приведены изображения подложек. Второй и третий ряды: визуализация белков внеклеточного матрикса костной ткани (зеленый). Красным окрашен актин — белок, присутствующий во всех клетках и позволяющий оценить их форму и количество

Основная идея генерации новой кости проста. Из биосовместимого материала делают заготовку, имеющую форму будущей кости. В систему вносят клетки-предшественники костной ткани, которые со временем должны заселить весь объем заготовки. Чтобы клетки росли и развивались, добавляют сигнальные молекулы, факторы дифференцировки и роста клеток кости. Если все условия подобраны правильно, со временем на месте заготовки образуется кость, по прочности и другим характеристикам очень похожая на настоящую.

В качестве клеток-предшественников костной ткани используют мезенхимальные стволовые клетки (MSC), которые можно выделить, например, из костного мозга. Эти клетки в соответствующих условиях могут дифференцироваться в клетки разных типов: жировые, костные, хрящевые, мышцы, клетки соединительной ткани. Для правильного формирования кости необходимо, чтобы MSC дифференцировались в остеогенные клетки, которые в дальнейшем разовьются в зрелые клетки костной ткани — остеобласты и остеоциты.

Однако даже у такого замечательного подхода имеется ряд нерешенных проблем. Например, факторы, стимулирующие образование кости, для каждого пациента должны подбираться индивидуально, с учетом возраста, пола и т. п. Другая трудность заключается в том, что зачастую MSC формируют вокруг заготовки мягкие ткани, прежде чем успеют дифференцироваться в клетки кости и прорасти внутрь.

Известно, что процесс дифференцировки стволовых клеток зависит от особенностей подложки, на которой они растут. Однако прежде у разных исследователей получались противоречивые результаты. В целом считается, что более шероховатая подложка способствует лучшей дифференцировке клеток костной ткани, однако в некоторых случаях бывает и наоборот. Группа британских ученых во главе с Ричардом Ореффо (Richard Oreffo) предположила, что все дело в наноразмерных особенностях шероховатой поверхности.

Чтобы проверить свою догадку, они изготовили различные подложки, на которых определенным образом располагались лунки 120 нм в диаметре и 100 нм глубиной. Расстояние между лунками составляло в среднем 300 нм. Помимо подложек с регулярным расположением лунок (в вершинах шестиугольника или квадрата), были также исследованы поверхности с разной степенью разупорядоченности: лунки располагались в пределах 20 нм от вершин правильных квадратов, в пределах 50 нм, или же были нанесены случайным образом.

Оказалось, на подложке с несколько разупорядоченным расположением лунок клетки быстрее достигают оптимальной плотности и лучше синтезируют остеопонтин и остеокальцин. Более того, в этих препаратах было отмечено появление островков окостенения, что является важным этапом в процессе нормального формирования кости. Что же касается направления дифференциации стволовых клеток, то и оно двигалось в сторону костной ткани лучше всего на подложке с углублениями, расположенными в пределах 50 нм от вершин правильных квадратов.

На основании проделанных экспериментов ученые заключают, что нашли способ выращивать клетки костной ткани без применения химических воздействий. Несомненно, это важный шаг в области тканевой инженерии кости. Между тем, секрет удивительной прочности и легкости костей был выяснен лишь недавно («Сила кости»), однако новейшие наноматериалы могут превзойти и их («Важность дырок»).

«Нанометр»