生物物理学家设计用于心脏细胞的纳米纤维支架

图。1。心肌细胞（1）和心脏成纤维细胞（2）的共聚焦激光扫描显微镜图像。图片由研究人员提供。

来自MIPT的生物物理学家已经研究了纳米纤维支架的结构及其与大鼠心脏细胞的相互作用。这项研究是对心脏组织再生的研究的一部分，该研究表明，心肌细胞（心肌细胞）随着纳米纤维的生长而被包裹，而成纤维细胞（结缔组织细胞）则倾向于在纤维上扩散，形成几个粘着部位。

这项研究是在MIPT兴奋性系统生物物理实验室与来自俄罗斯科学院植物移植与人工器官联邦舒马科夫研究中心以及俄罗斯科学院理论与实验生物物理研究所的研究人员合作完成的。该文章发表在《 Acta Biomaterialia》杂志上。

“使用三种独立的方法，我们发现，在纳米纤维支架上进行发育的过程中，心肌细胞将纤维包裹在所有侧面，从而在大多数情况下形成'鞘'结构，”兴奋性生物物理实验室负责人康斯坦丁·阿格拉兹教授解释说。系统。“相比之下，成纤维细胞具有更坚硬的结构，与基材的相互作用区域要小得多，仅在一侧接触。”

再生医学试图修复或替换丢失或损坏的人体细胞，组织和器官。组织工程学通常是恢复人体心脏功能并实现恢复的唯一途径。为受损的心脏创建“补丁”不仅需要了解相应组织细胞的特性，还需要：还需要研究它们与底物以及与周围溶液和邻近细胞的相互作用。

获得正确的脚手架是成功的一半

对于再生组织的生长，发育和形成至关重要的是在其上生长细胞的基质。用于心脏组织工程的支架基于聚合物纳米纤维的基质。纳米纤维的弹性和导电性可能会有所不同，或者它们可能具有其他“智能”功能，使它们可以在特定阶段释放生物活性分子。纳米纤维被设计成模仿围绕细胞的细胞外基质，从而提供结构支持。此外，纳米纤维可以用作将物质输送到周围细胞中的介质，以诱导它们中的生物化学变化。因此，研究支架与心脏细胞之间的相互作用对于选择正确的纳米纤维特征至关重要，这些特征将使人造结构更接近生物体。

在显微镜下…

图2。包裹纤维（2）的心肌细胞（1）的横截面。使用透射电子显微镜获得图像。图片由研究人员提供。

该小组进行了一个三阶段研究，以确定心肌细胞的结构特征以及它们与纤维相互作用的性质。

首先，研究人员使用共聚焦激光扫描显微镜研究了在纳米纤维基质上生长的心肌细胞和成纤维细胞的结构：照亮细胞的最小部分，并逐点扫描，从而可以在微米范围内重建3-D结构。用荧光抗体预先染色心肌细胞和成纤维细胞的结构（核和真核细胞骨架的组成部分）以及纤维的结构。所获得的3D图像显示，两种类型的研究细胞均沿纤维排列并呈纺锤状形状（图1）。然而，该数据不足以研究细胞-纤维界面。

然后将细胞样品在垂直于纤维方向的平面上切成超薄切片，并使用透射电子显微镜（TEM）进行“拍照”。在研究过程中，一束电子穿过这些截面。将检测器放置在这些部分的后面，以检测通过的那些电子。它们的数量不仅取决于样品的厚度：它还指示了材料的特性。各种细胞结构吸收电子以不同的方式穿过样品。研究人员发现，心肌细胞在所有侧面都包裹着纳米纤维，从而使纤维最终位于细胞的中间。然而，它仍然被细胞膜与细胞质分开（图2）。

成纤维细胞不会“吞咽”纤维，它们只会在一侧接触纤维。此外，TEM图像显示，与其他细胞成分相比，成纤维细胞的核相对较硬。这使成纤维细胞的柔韧性降低，降低了其沿纤维拉伸的能力（图3）。

图3。成纤维细胞（1）与单个纳米纤维（2）相互作用的横截面的透射电子显微镜图像：N —核，er —内质网。图片由研究人员提供。

TEM使研究横截面成为可能。然后，使用扫描探针纳米断层扫描，创建了一个全面的3-D模型。研究人员将生长在纳米纤维基质上的细胞切成120纳米厚的切片。用硅探针研究了它们的表面结构，并以3-D重建（图4）。

图4。被心肌细胞包裹的纳米纤维。使用扫描探针纳米断层扫描重建3-D模型。图片由研究人员提供。

心肌细胞比成纤维细胞对基底的粘附性更好

研究人员观察到了细胞纤维相互作用的一些重要方面。

首先，由于较强的机械粘附力（即细胞支架附着力）意味着细胞在基质上的生长更加稳定，因此心肌细胞将牢固地附着在支架上，而成纤维细胞的稳定性将降低。

其次，附加的“智能”支架功能，例如释放生长因子（刺激细胞生长的蛋白质分子），也将根据细胞类型而有所不同。就倾向于包裹纳米纤维的心肌细胞而言，释放的物质将直接从纤维通过细胞膜扩散并进入细胞质。另一方面，对于成纤维细胞，一定量的这些物质会泄漏出去。

第三，心肌细胞将聚合物纤维与周围溶液隔离。由于心肌细胞负责心脏内电磁波的传输，进而导致心脏收缩，因此将支架的纤维完全浸入心肌细胞中将使研究人员能够测试细胞的电导率。

这项研究，以及对细胞-底物相互作用机制的进一步研究，将使能够创建纳米纤维的纳米纤维成为可能，这些纳米纤维将为细胞提供形成再生组织所需的特性。

出版物：Victor Balashov等人，“聚合物支架纳米纤维上心肌细胞的高分辨率3D显微镜研究揭示了异常鞘结构的形成，” Acta Biomaterialia，2018年； doi：10.1016 / j.actbio.2017.12.031