研究人员研究心脏细胞的纳米支架

来自MIPT的生物物理学家研究了纳米纤维支架的结构，以及它与大鼠心肌细胞的相互作用。这项研究是心脏组织再生研究的一部分，它揭示了心肌细胞(心肌细胞)在生长的过程中会包裹纳米纤维，而成纤维细胞(结缔组织细胞)则倾向于在纤维上扩散，形成多个粘着点。

这项研究由MIPT的可兴奋系统生物物理实验室与Shumakov联邦移植和人工器官研究中心以及俄罗斯科学院理论和实验生物物理研究所的研究人员合作进行。这篇文章发表在杂志上Acta Biomaterialia。

“通过三种独立的方法，我们发现，在纳米纤维支架上发育过程中，心肌细胞在大多数情况下，将纤维从四面包裹起来，形成一种‘鞘状’结构，”兴奋系统生物物理实验室主任康斯坦丁·阿格莱兹教授解释说。“相比之下，成纤维细胞的结构更加坚硬，与基质的相互作用区域也更小，只接触到基质的一侧。”

再生医学寻求修复或替换丢失或受损的人类细胞，组织和器官。组织工程常常是恢复人类心脏功能和实现恢复的唯一途径。为受损的心脏制造“补丁”不仅需要了解相应组织细胞的特性，还需要研究它们与基质、周围溶液和邻近细胞的相互作用。

找到正确的断头台就成功了一半

细胞生长的基质对于再生组织的生长、发育和形成至关重要。用于心脏组织工程的支架是基于聚合物纳米纤维的基质。纳米纤维在弹性和导电性方面可能有所不同，或者它们可能具有额外的“智能”功能，允许它们在特定阶段释放生物活性分子。纳米纤维被设计成模仿细胞外基质，它包围着细胞，提供结构支持。此外，纳米纤维还可以作为一种介质，将物质输送到周围的细胞中，从而诱导细胞内的生化变化。研究支架和心脏细胞对于选择正确的纳米纤维特性至关重要。，这些技术将使人造结构更接近于活体的结构。

该研究小组进行了三阶段的研究，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，他们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。对细胞最小的部分进行照明和逐点扫描，以便在微米范围内重建三维结构。心肌细胞和成纤维细胞的结构(核和真核细胞骨架的成分)以及纤维的结构被荧光抗体预染色。获得的三维图像显示，两种类型的细胞都沿着纤维排列，呈纺锤形(图1)。然而，这一数据不足以研究细胞-纤维界面。

然后，在垂直于纤维方向的平面上，将细胞样本切成超薄薄片，并使用透射电子显微镜(TEM)“拍照”。在研究过程中，一束电子穿过了这些截面。一个探测器被放置在截面后面，以检测通过的电子。它们的数量不仅仅取决于样品的厚度:它还表明了材料的性能。不同的细胞结构吸收通过标本的不同电子。研究人员发现，心肌细胞从四面包住纳米纤维，使纤维最终位于细胞的中间。然而，它仍然通过细胞膜与细胞质分离(图2)。

成纤维细胞不会“吞下”纤维，它们只接触纤维的一侧。此外，透射电镜图像显示成纤维细胞的细胞核相对于其他细胞成分是刚性的。这使得成纤维细胞的柔韧性降低，降低了它们沿着纤维拉伸的能力(图3)。透射电镜使研究其截面成为可能。然后，利用扫描探针纳米断层扫描技术，建立了一个全面的三维模型。研究人员将生长在纳米纤维基质上的细胞切成120纳米厚的薄片。用硅探针研究了它们的表面结构，并进行了三维重建(图4)。

心肌细胞对底物的粘附性比成纤维细胞好

研究人员观察了细胞-纤维相互作用的一些重要方面。首先，由于机械附着力较强——即。，细胞支架附着-意味着细胞在基质上生长更稳定，心肌细胞将牢固地附着在支架上，而成纤维细胞将不那么稳定。

其次，额外的“智能”支架功能，如释放生长因子——刺激细胞生长的蛋白质分子——也会根据细胞类型而有所不同。在心肌细胞的情况下，它倾向于包裹纳米纤维，释放出来的物质会直接从纤维中扩散，通过细胞膜进入细胞质。在……的情况下成纤维细胞另一方面，一定数量的这些物质会泄漏出来。

第三，心肌细胞从周围的溶液中分离出聚合物纤维。由于心肌细胞负责心脏内的电磁波传输，因此也负责心脏收缩，因此将支架纤维完全浸泡在心肌细胞内将使研究人员能够测试细胞的电导率。

这项研究，以及对细胞与底物相互作用机制的进一步研究，将使纳米纤维的产生成为可能，纳米纤维将为细胞提供形成再生组织所需的特性。

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