CC BY
10
применение методов машинного обучения и ai-анализ для визуализации и верификации регенерации гистоструктуры печени
А.В. Гречина2, И.О. Козлов2,
A.А. Венедиктов2, Г.А. Пьявченко2, М.Ю. Шагидулин1, 2, Н.А. Онищенко1, М.Е. Крашенинников4, А.О. Никольская1, Е.А. Волкова1, Н.П. Можейко1, А.В. Люндуп4, Л.И. Давыдова3, А.Ю. Архипова5, 6,
B.Г. Богуш3, С.В. Готье1, 2
1 ФГБУ НМИЦ трансплантологии и искусственных органов им. акад. В.И. Шумакова Минздрава России, Москва, Россия
2 ФГАОУ ВО Первый МГМУ им. ИМ. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет), Москва, Россия
3 НИЦ Курчатовский институт, Москва, Россия
4 ФГАОУ ВО Российский университет дружбы народов, Москва, Россия
5 МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
6 МГУ-ППИ, Шэньчжэнь, КНР
e-mail: [email protected]
Ключевые слова: визуализация, машинное обучение, регенерация гепатоцитов, печеночная недостаточность
Верификация регенерации повреждённых клеток печени при лечении хронической печеночной недостаточности (ХПН) является актуальной проблемой регенеративной медицины. Не ослабевает интерес к поиску новых эффективных методов, характеризующих регенерацию повреждённой печени.
Целью исследования стало определение наиболее информативных морфофункциональных показателей, пригодных для оценки эффективности коррекции и лечения ХПН с помощью клеточно-инженерных конструкций (КИК).
Работа выполнена на 80 самцах крыс Вистар (220-250 г.). Моделирование ХПН осуществляли путем инъекции 60% CCl4 под кожу в течение 42 суток. Мезенхимальные стволовые клетки культивировали 7 суток, затем 3 суток совместно с клетками печени (КП), которые затем использовали для создания КИК. Эффективность применения КИК при ХПН оценивали по морфологии печени и КИК в последующие 90 суток. Преобразование изображений гистологических срезов проводили в программе MATLAB с использованием алгоритма кластеризации k-средних. Определяли специфические маркеры для автоматизированного анализа.
В структуре КИК на 90 сутки выявлены новообразованные сосуды и жизнеспособные гепатоциты, полная интеграция в ткань печени. В паренхиме печени выявлена пролиферация гепатоцитов, восстановление структуры печеночной дольки. Дистрофия структур печени, жировые вакуоли, степень развития соединительной ткани были менее выражены в отличие от контроля. Визуализация морфологических данных с помощью методов машинного обучения позволила наглядно представить эти изменения.
Таким образом, использованные морфофункцио-нальные показатели состояния печени информативны, характеризуют эффективность коррекции и лечения ХПН и могут быть использованы для оценки структурной динамики в эксперименте.
индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека и их производные в качестве модели для поиска и тестирования соединений с нейропротекторной активностью
И.А. Гривенников. Д.М. Шимченко,
Е.В. Новосадова, С.А. Антонов. Л.А. Андреева.
Н.Ф. Мясоедов. В.З. Тарантул
Институт молекулярной генетики НИЦ Курчатовский институт, Москва, Россия
e-mail: [email protected]
Ключевые слова: индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека, дифференцировка, нейро-трофические факторы, дофаминергические нейроны, окислительный стресс, эндоканнабиноиды, регуляторные пептиды.
Открытие возможности репрограммирования соматических клеток и разработка технологии получения индуцированных плюрипотентных стволовых (ИПС) клеток человека, открыла новые перспективы в трансплантологии и изучении молекулярных и клеточных основ тяжелых болезней человека [1]. Способность ИПС клеток к диф-ференцировке в разнообразные клетки органов и тканей человеческого организма, такие как кардиомиоциты, нейроны, гепатоциты и тд., создала новые возможности для моделирования ряда тяжелых патологий человека, исследования молекулярных и клеточных механизмов их развития in vitro. Кроме того, технология ИПС клеток позволила создавать тест-системы, с помощью которых в настоящее время можно проводить масштабный скрининг и выяснять свойства потенциальных лекарственных средств, направленных на лечение конкретных заболеваний, учитывая при этом индивидуальные особенности пациента. Тот факт, что данная технология позволяет получать ИПС клетки из индивидуальных дифференцированных соматических клеток как от здоровых, так и от больных доноров создает ей существенные преимущества перед технологией эмбриональных стволовых клеток, что, в свою очередь, открывает большие перспективы в развитии персонализированной медицины. В настоящей работе с помощью созданной многоуровневой тест-системы, основанной на ИПС клетках человека, полученных от здоровых доноров и пациентов с болезнью Паркинсона, проведен скрининг соединений на наличие нейропротекторной активности [2]. На первых этапах, тестирование ряда соединений пептидной и не пептидной природы осуществлялось как на недифференцированных ИПС клетках, так и на клетках, находящихся на начальных стадиях дифференциров-ки (эмбриоидные тела). Такой подход позволял выявлять наличие или отсутствие у них цито- и эмбриотоксических свойств. На следующих этапах, с использованием культур нейрональных предшественников и терминально дифференцированных нейронов было продемонстрировано нейропротекторное действие ряда пептидов семейства меланокортинов, а также представителей семейства кан-набиноидов, таких как N-докозагексаноилдофамин and N-арахидоноилдофамин [3]. Принципиально важным является тот факт, что использование ИПС клеток и их дифференцированных производных позволяет существенным образом сократить эксперименты по тестированию перспективных для фармакологии соединений на клетках животных, а осуществлять их сразу на клетках человека.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (№ 21-15-00103).
Литература:
1. Takahashi K., Tanabe K., Ohnuki M. et al. Cell. 2007. V. 131. P. 861-872.
2. Новосадова Е.В., Андреева Л.А., Арсеньева Е.Л. и др. Пат. РФ № 2646446 от 05 марта 2018г.
3. Novosadova E., Antonov S., Arsenyeva E. et al. Neurotoxicology. 2021. V. 82. P. 108-118.
исследование биологических свойств криогенно-структурированного гидрогеля на основе желатина для биомедицинских технологий
A.М. Григорьев1, Ю.Б. Басок, А.Д. Кириллова,
B.А. Сургученко, Н.П. Шмерко1,
В.К. Кулакова2, Р.В. Иванов2, В.И. Лозинский2, А.М. Суббот3, В.И. Севастьянов1
1 ФГБУ НМИЦ трансплантологии и искусственных органов им. академика В.И. Шумакова Минздрава России, Москва, Россия
2 ФГБУН Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, Москва, Россия
3 ФГБНУ НИИ глазных болезней, Москва, Россия e-mail: [email protected]
Ключевые слова: криогенно-структурированный гидрогель, желатин, макропористая губка, тканевая инженерия, печень.
Согласно прогнозам на ближайшие годы, острый дефицит донорских органов будет расти, что делает необходимым поиск альтернативных технологий, в том числе, технологий тканевой инженерии и регенеративной медицины, основанных на имплантации клеточно-инженер-ных конструкций (КИК), включающих матрицы-носители, нагруженные стволовыми и/или специализированными клетками [1]. При создании КИК предпочтительными формами матриц являются макропористые системы из твердотельных полимеров или гидрогелей [2].
Целью работы было исследование биологических свойств матрицы из криогенно-структурированного гидрогеля в форме макропористой желатиновой губки, а также возможности создания на ее основе КИК, с различными клеточными компонентами.
Основными компонентами синтеза криогенно-структурированного гидрогеля были желатин (тип А), 1\1-(3-диметиламинопропил)-1\Г-этилкарбодиимид, (ЭДК) и мочевина (все — Sigma-Aldrich, США). Морфологию поверхности исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Степень набухания в воде образцов определяли гравиметрически. Цитотоксичность оценивали на фибробластах мыши линии NIH 3T3 и ме-зенхимальных стромальных клетках жировой ткани человека (МСКЖТч) с использованием IncuCyteZOOM (EssenBioscience, США). В качестве клеточной компоненты КИК были выбраны МСКЖТч, клетки гепатоцел-люлярной карциномы HepG2 или эндотелиальные клетки пупочной вены человека линии EA.hy926. Содержание альбумина в культуральной среде определяли методом иммуноферментного анализа. Скорость метаболизма аммиака оценивали после 90 минут инкубации с 1 mM хлоридом аммония (Sigma-Aldrich, США), разведенным в культуральной среде на 15 сутки эксперимента.
Получение криоструктурированного гидрогеля в форме макропористой губки включало замораживание водного раствора смеси желатина и мочевины, удаление поликристаллов растворителя лиофилизацией,
экстракцию мочевины этанолом и обработку крио-структурата этанольным раствором ЭДК. СЭМ позволила выделить три типа пор на поверхности носителя: крупные (109 ± 17 мкм), средние (39 ± 10 мкм) и малые (16 ± 6 мкм). Степень набухания в воде образцов матрицы составила 3,8 ± 0,2 г Н2О на 1 г сухого полимера. Установлена способность макропористой желатиновой губки в составе КИК поддерживать адгезию и пролиферацию МСК ЖТч, клеток линии EA.hy926 и HepG2 в течение 28, 15 и 9 суток, соответственно. Доказано наличие секреции альбумина и метаболизма аммиака при культивировании клеток HepG2 на желатиновой губке.
Таким образом, на примере КИК печени показана перспективность использования матрицы из макропористого криогенно-структурированного гидрогеля на основе желатина для технологий тканевой инженерии и регенеративной медицины.
Литература:
1. Трансплантология и искусственные органы: учебник / под ред. акад. РАН СВГотье. М.: Лаборатория знаний; 2018. — 319 с.: ил. ISBN 978-5-00101-107-1.
2. Zhao P, Wang J, Li Y, Wang X, Chen C, Liu G. Microfluidic Technology for the Production of Well-Ordered Porous Polymer Scaffolds. Polymers (Basel). 2020;12(9):1863. doi: 10.3390/ polym12091863. PMID: 32825098; PMCID: PMC7564514.
пористые матриксы
с биомиметической структурой
и свойствами
Т.Е. Григорьев1, Ю.Д. Загоскин1, К.И. Луканина1,
Т.К. Токаев2, М.В. Синицын2, Е.А. Храмцова4,
В.И. Севастьянов3, С.Н. Чвалун1
1 НИЦ Курчатовский институт, Москва, Россия
2 НМИЦ ФПИ Минздрава России, Москва, Россия
3 НМИЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова Минздрава России, Москва, Россия
4 Институт биохимической физики им Н.М. Эмануэля РАН, Москва, Россия
e-mail: [email protected]
Ключевые слова: пористость, трехмерная структура, модуль
упругости, биоразлагаемые материалы, биосовместимость
Создание трехмерных биосовместимых носителей — матриксов, обладающих заданной морфологией и регулируемыми функциональными физико-химическими свойствами, является актуальной задачей науки о полимерах. Многопараметрическое управление характеристиками таких матриксов, разработка фундаментальных методик их получения определяют перспективу дальнейшего развития регенеративной медицины. Наряду с биосовместимостью и пористой структурой матрикс должен обладать также биоадекватными физико-механическими характеристиками: как микромеханические характеристики оказывают влияние на процессы адгезии и диф-ференцировки клеток, так и прочностные характеристики материала влияют на биосовместимость и общую функциональность матрикса.
В докладе отражены основные подходы к созданию пористых материалов с настраиваемой структурой и свойствами: волокнистых нетканых, губчатых и ги-дрогелевых. Систематически исследована структура и биомеханическое поведение ряда тканей и органов, нативных и децеллюляризованных: кожи, трахеи, диафрагмы, аорты, желчного протока, легких, сердца, почек.
