CC BY
17
УДК 57.085.23, 612.172.31, 577.352.54
К. И. Агладзе1,2, В. В. Лебедев1,3, М. Р. Трупип1,4
1 Московский физико-технический институт (государственный университет), Научно-образовательный центр «Вионанофизика» institute for Integrated Cell-Material Sciences, Kyoto University, Киото, Япония 3Институт теоретической физики РАН им. Л. Д. Ландау 4 Институт физики твердого тела РАН
О лаборатории биофизики возбудимых систем в МФТИ
Обсуждается стратегия развития экспериментальной лаборатории биофизики возбудимых систем научно-образовательного центра «Бионанофизика», организованной в МФТИ после первого конкурса мегагрантов. Приведены результаты двухлетних работ лаборатории, демонстрирующие достижение главной цели мегагранта — создание в МФТИ современной биофизической лаборатории, экипированной по последнему слову техники. Дано краткое введение к циклу статей лаборатории, опубликованных в данном номере журнала «Труды МФТИ».
Ключевые слова: сердце, стволовые клетки, тканевая инженерия, аритмия, фотоконтроль.
В специальном выпуске журнала «Труды МФТИ», посвященном юбилею Физтеха (2011, том 3, № 4), мы рассказывали о развитии научных исследований в НОЦ «Бионанофизика» МФТИ и, в частности, о становлении лаборатории «Наноконструирование мембраннобелковых комплексов для контроля физиологии клетки», в которой изучаются процессы, происходящие в сердечных клетках, разрабатываются методы фотоконтроля активности сердечной мышцы и технологии создания искусственных высокоструктурированных многослойных фрагментов сердечной ткани [1]. Официальным началом этой экспериментальной лаборатории считается ноябрь 2010 года, когда заявка от НОЦ под руководством К.И. Агладзе, выпускника факультета общей и прикладной физики и профессора Киотского университета, выиграла в конкурсе мегагрантов Правительства России. И сейчас в связи с окончанием проекта пришло время подвести его главные итоги.
Сразу заметим, что почва для создания лаборатории готовилась заранее с организации биофизических лекционных курсов, семинаров и практикумов для студентов 2-6 курсов факультетской кафедры ФОПФ, ремонтов помещений (примерно 200 кв. м в лабораторном корпусе МФТИ) и закупок первого оборудования из средств НОЦ «Бионанофизика» и Программы НИУ-МФТИ. На протяжении всего периода работы лаборатория получала и отбирала хорошо подготовленных и талантливых студентов Физтеха, которые вместе со своими научными руководителями сейчас составляют кадровый костяк лаборатории. Кроме этого, продуктивность исследовательской лаборатории во многом определяется ее «сервисом»: наличием грамотного вспомогательного персонала, организацией рабочих мест, своевременными закупками и поставками оборудования и расходных материалов (на это истрачено больше половины средств мегагранта), бухгалтерией, отчетностью, удобствами проживания сотрудников и т.д. Эту рутинную, но необходимую составляющую работы лаборатории обеспечивало руководство факультета.
Основные достижения лаборатории за двухлетний период работы:
1. Создана базовая платформа для тканевой инженерии в МФТИ
1.1. Налажена методика получения и культивирования первичной культуры неонатальных кардиомиоцитов.
1.2. Получены, ведутся и адаптированы к исследовательским задачам иммортализо-ванные линии кардиомиоцитов НЬ-1, в том числе с трансфецированным геном канального родопсина 2.
1.3. Собрана и отлажена установка для получения полимерных волокон методом электроспиннинга. Получены нановолокна из полиметилглютаримида (РАКИ). поликапролак-тона (РСЬ), полигидроксибутирата (РНВ), а также композитные волокна, импрегнирован-ные углеродными нанотрубками.
1.4. Выращены лоскуты сердечной ткани на полимерных нановолокнах. Ведутся опыты на животных на базе ФГБУ «НИИ КПССЗ» СО РАМН.
2. Разработаны методы фотоконтроля возбудимых клеток с помощью азо-бензентриметиламмониумбромида (АзоТАБ)
2.1. Создана установка компьютерного фотоуправления сердечной культурой. Установка позволяет проецировать сгенерированные компьютером образы на слой культуры ткани и с помощью АзоТАБа задавать необходимую картину возбуждения.
2.2. На примере планарий с помощью АзоТАБа доказана возможность управлять светом поведением целого организма.
2.3. Произведен синтез новых фотосенсибилизаторов, производных азобензола и стиль-бена, позволяющих вывести метод фотоконтроля возбудимости кардиомиоцитов на новый уровень.
2.4. Показана возможность постоянного локального отключения возбудимости облучаемой ультрафиолетом сердечной ткани при очувствлении ее с-табом, сохраняющееся после полной его отмывки. Предварительные данные показывают, что этот метод фотосенсибилизации обладает меньшими повреждающими свойствами по сравнению с АзоТАБом. С-таб-очувствление будет использовано для контроля архитектуры культивируемой сердечной ткани и исследована возможность использования его в катетерной фотоаблации.
3. Разработана методика совместного выращивания сердечных клеток первичной культуры и иммортализованных для исследований интеграции клеток в единую проводящую сеть
Данная методика будет использована для исследования моделей регенерации клеток с помощью кардиомиоцитов, полученных из стволовых и плюрипотентных клеток.
Ниже, в этом номере журнала, публикуются несколько статей, выполненных сотрудниками лаборатории биофизики возбудимых систем в МФТИ. О чем же эти статьи? Читатель увидит, что спектр исследований достаточно широк: от современных наноматериалов до нелинейных волн, от культуры тканей — до малоуглового рассеяния... Что это — эклектика, отсутствие ясной цели? Конечно, нет. С самого начала в проект лаборатории была заложена концепция адаптивности и даже некоей универсальности. В современном быстро меняющемся научном мире невозможно годами «долбить свою узкую нишу», огромные средства и усилия легко могут пойти прахом из-за радикальных изменений научной картины мира. Приведем лишь один пример. В регенеративной медицине всегда остро стоял вопрос об иммунной совместимости имплантируемых тканей с реципиентом. Естественно, эта проблема встала и при использовании донорских стволовых клеток [2]. Много усилий различными исследовательскими группами было потрачено на такую модификацию имплантируемых клеток, которая позволяла бы преодолеть иммунную несовместимость. Однако мы живем в очень интересное время — как раз этой осенью Нобелевская премия по биологии была присуждена профессору университета Киото Шинья Яманака, открывшему в 2007 году способ перепрограммирования «терминально» дифференцированных клеток организма. И теперь вся схема процесса регенерации выглядит совершенно по-другому: берутся клетки кожи или соединительной ткани самого пациента, переводятся в так называемое плюрипотентное состояние, наращиваются в необходимых обьемах, а затем переводятся в клетки органа, нуждающегося в восстановлении. Понятно, что все усилия по иммунной модификации тканей оказываются совершенно ненужными.
Кроме того, стратегия построения биофизической лаборатории в МФТИ определялась ее высокой долей автономности. В рамках, скажем, биомедицинского института или исследовательского центра вполне могут и успешно существуют узкоспециализированные
лаборатории: помогает кооперация и интеграция с коллегами. В МФТИ же собственная биологическая исследовательская база фактически отсутствовала. Например, один только вопрос работы с лабораторными животными повергал службы Физтеха в состояние, близкое к шоковому. Тем не менее при поддержке ректората и руководства факультета общей и прикладной физики удалось найти решение вроде бы «нерешаемой» проблемы и получить то, что мы сейчас имеем. На Физтехе создана современная биофизическая лаборатория, экипированная по последнему слову техники. И одним из свидетельств ее успешно начатой работы служат статьи, опубликованные в этом журнале.
Какие же методы представлены в лаборатории? В первую очередь это современная микроскопия: конфокальная, атомно-силовая, электронная. Параметры приборов выбирались так, чтобы можно было работать на объектах, представляющих как отдельную клетку, так и многоклеточный ансамбль — биологическую ткань. Оптические методы лаборатории представлены также уникальными установками, позволяющими вести оптическое картирование биологических тканей [3], т.е. исследовать пространственно-временную активность ткани с помощью флюоресцентных зондов. Электрофизиологические методы представлены современной установкой так называемого пэтч-клампа [4]. Поскольку же объектом исследований служат культуры ткани как первичной, выделяемой из лабораторных животных, так и клеточные линии, в лаборатории представлен весь цикл оборудования, позволяющий вести работы с этими культурами. Наконец, для целей тканевой инженерии в лаборатории работают установки, позволяющие получать полимерные волокна с необходимыми физикохимическими параметрами.
Направление исследований было выбрано в области системной биологии. Наибольший интерес здесь представляла биофизика возбудимых систем, в частности сердечной ткани. Таким образом, в фокусе наших исследований оказалась сердечная ткань. В представленных ниже работах вы увидите первые результаты, полученные в МФТИ на культуре сердечной ткани, в том числе и на фотоуправляемой сердечной ткани. Неинвазивный фотоконтроль активности сердца представляет собой очень перспективное, с точки зрения приложений, направление исследований. В этой области в нашей лаборатории в МФТИ получили дальнейшее развитие технологии, первоначально созданные в лаборатории К.И. Агладзе в Киото [5]. Например, был проведен цикл работ, показавший, что с помощью света и специального вещества — АзоТАБа — можно управлять и поведением целого организма, такого, как планария. В настоящее время совместно с ИИХР (ЦВТ «ХимРар») ведутся работы по синтезу новых веществ, пригодных для фотоуправления возбудимыми тканями. Получили дальнейшее развитие и методы тканевой инженерии, базирующиеся на применении полимерных нановолокон [6]. Создаются первые искусственные лоскуты сердечной ткани, пригодные для модельной трансплантации лабораторному животному. Достигнута договоренность о совместных экспериментах в этом направлении с сотрудниками Кемеровского кардиоцентра.
Литература
1. а) Трунин М.Р., Лебедев В.В. Развитие научных исследований на факультете общей и прикладной физики МФТИ в Долгопрудном // Труды МФТИ. — 2011. — Т. 3, № 4. — С. 74-80; б) Агладзе К.И. Биофизика в МФТИ: опыт реализации 220-й Программы // Труды МФТИ. - 2011. - Т. 3, № 4. - С. 47-52.
2. a) Karabekian Z., Posnack N.G., Gillum N., Sarvazyan N. Immunological Barriers to StemCell Based Cardiac Repair // Stem cell rev. and reports. — 2011. — V. 7. — P. 315-325; b) Karabekian Z., Idrees S., Jamshidi A., Sarvazyan N. Decreasing immunogenicitv of ESC derived cardiomvocvtes // J. Immunology. — 2012. — V. 188.
3. a) Davidenko J.M., Pertsov A. V., Salomonsz R., Baxter W., Jalife J. Stationary and drifting spiral waves of excitation in isolated cardiac muscle // Nature. — 1992. — V. 355. — P. 34951; b) Agladze K., Kay M. W., Krinsky Y., Sarvazyan N. Interaction between spiral and
paced waves in cardiac tissue // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. — 2007. — V. 293. — P. 53-55 .
4. Hamill O.P., Marty A., Neher E. et al. Improved patch-clamp techniques for high-resolution current recording from cells and cell-free membrane patches // Pflugers Archiv-European J. Physiol. - 1981. - V. 391. - P. 85-100.
5. Magome N., Kanaporis G., Moisan N., Tanaka K., Agladze K. Photo-Control of Excitation Waves in Cardiomvocvte Tissue Culture // Tissue Eng. Part A. — 2011. — V. 17. — P. 2703-2711.
6. Orlova Y., Magome N., Liu L., Chen Y., Agladze K. Electrospunnanofibers as a tool for architecture control in engineered cardiac tissue // Biomaterials. — 2011. — V. 32. — P. 5615-5624.
Поступим в редакцию 01.11.2012
