Российские ученые из Института цитологии РАН и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе достигли значимого прорыва в области регенеративной медицины, разработав инновационный композитный материал для клеточной трансплантации. Впервые специалистам удалось объединить самые ценные свойства коллагена I типа и безвредного природного полимера карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), создав новую структуру-носитель для клеток. Новый тип композитного геля уже на стадии лабораторного тестирования продемонстрировал характеристики, превосходящие использующиеся сегодня клинические аналоги, открывая перспективы для более эффективного восстановления тканей и органов.
Особенности и преимущества коллагена в современной биотехнологии
Коллаген I типа — это один из ключевых белков внеклеточного матрикса, формирующего "каркас" большинства тканей человеческого тела. Благодаря уникальным физическим и биохимическим свойствам коллаген служит основой для создания трёхмерных матриц (иначе — скаффолдов), на которых размещаются и размножаются клетки. Технологии тканевой инженерии опираются на эти матрицы для регенерации или замены поврежденных биологических структур, что актуально при сложных травмах и многих хронических заболеваниях.
Тем не менее, в процессе культивирования клеток на традиционном коллагеновом геле возникает существенная проблема — его склонность к контрактированию, то есть сжатию под воздействием клеток. Это приводит к изменению формы клеток, их округлению, а также к снижению активности деления и способности производить внеклеточный матрикс. В результате процесс восстановления и регенерации тканей замедляется, а иногда становится неэффективным.
Для преодоления ограничений традиционных материалов команда ученых под руководством Юлии Нащекиной применила принципиально новый подход — создание композита, сочетающего коллаген I типа и КМЦ. Карбоксиметилцеллюлоза — это нетоксичный природный полимер, получаемый из целлюлозы, широко используемый в медицине и пищевой промышленности благодаря своей полной биосовместимости, способности удерживать воду и высокой гибкости. Добавление всего 5% КМЦ оказывает существенное благотворное влияние на свойства финального материала.
Благодаря введению КМЦ удалось повысить упругость геля и минимизировать его подверженность сжатию при длительном культивировании клеток. Новая комбинация позволила клеткам сохранять плоскую, физиологически правильную форму, оставаться активными и размножаться с большей эффективностью, а также интенсивнее синтезировать свои белки, формируя полноценный внеклеточный матрикс.
Научные открытия и подтвержденные преимущества новой технологии
В экспериментальной работе было установлено: клетки, выращенные на поверхности инновационного композитного геля, проявили усиленную миграционную и пролиферативную активность. У материала, полученного с добавлением КМЦ, степень сжатия после трехнедельного роста клеток оказалась значительно ниже, чем у аналогов, изготовленных исключительно на основе коллагена.
Продемонстрировано и еще одно важное преимущество — равномерное распределение синтезированного клетками фибронектина по всему объему геля. Это свидетельствует о том, что в таком материале клетки свободно чувствуют себя не только на поверхности, но и внутри объема, а значит, композит способен стать идеальной основой для лабораторного (in vitro) выращивания новых тканей, максимально приближенных к натуральным.
Вклад Юлии Нащекиной и командной работы двух институтов
Юлия Нащекина, руководитель группы тканевой инженерии Института цитологии РАН, подчеркивает, что новый композит может стать отличной альтернативой классическим коллагеновым гелям. Современный материал создан для долгосрочного культивирования клеток внутри трехмерной структуры без потери формы. Благодаря улучшенным механическим свойствам такой носитель способен обеспечить оптимальные условия не только для деления клеток, но и для синтеза терапевтически важных молекул и белков, необходимых для успешной регенерации тканей после пересадки.
Результаты, полученные в ходе исследования, стали показателем высокой эффективности совместной работы двух ведущих научных центров страны. Команда активно занимается созданием и совершенствованием различных видов скаффолдов, необходимых для развития отечественной регенеративной медицины, протезирования и новых методов персонализированного лечения.
Применение новой разработки и ее значение для медицины будущего
Разработанный композитный коллаген-КМЦ-гель способен внести весомый вклад в улучшение методов клеточных терапий и тканевой инженерии. Он открывает новые возможности для адресного восстановления поврежденных органов — ведь улучшенные характеристики материала способствуют сохранению трехмерной структуры, высокой жизнеспособности клеток и стимулируют их активное размножение.
Помимо трансплантации, новый материал обладает потенциалом использования для продолжительного культивирования клеток с целью производства биологически активных молекул и создания искусственных внеклеточных матриксов. Такое решение особенно актуально для разработки индивидуальных имплантатов, ускоренного заживления ран, лечения сложных дефектов мягких тканей и даже для будущего органного инжиниринга.
Благодаря совместным усилиям Института цитологии РАН и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе российская наука делает уверенные шаги к созданию более совершенных, безопасных и эффективных биоматериалов для медицины будущего. Поддержка проекта российским научным фондом подчеркивает важность проведенной работы для всего научного сообщества и открывает пути к новым инновационным разработкам на стыке биологии, химии и медицинской инженерии.
