Three-dimensional analysis of micro- and nanostructure of biomaterials and cells by method of scanning probe nanotomography

Abstract

1 Лаборатория бионанотехнологий, ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова» Минздрава России, Москва, Российская Федерация 2 Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Российская Федерация Цель. Провести трехмерный анализ микро-и наноструктуры и количественных морфологических па-раметров альгинатных сферических клеточных микроносителей и макроносителей на основе регенери-рованного шелка, модифицированных микрочастицами межклеточного матрикса децеллюляризованной печени крысы, а также клеток гепатокарциномы человека HepG2, адгезированных на микро-и макро-носители. Материалы и методы. Трехмерные пористые матриксы из регенерированного шелка, полу-ченные методом выщелачивания, и сферические альгинатные микроносители, полученные методом ин-капсуляции, были витализированы клетками гепатокарциномы человека HepG2. Изучение трехмерной структуры клеток и микро-и макроносителей производилось при температуре -120 °С методом ска-нирующей зондовой крионанотомографии при помощи экспериментальной установки, объединяющей криоультрамикротом и сканирующий зондовый микроскоп. Результаты. Получены трехмерные нано-томографические реконструкции клеток HepG2, адгезированных на стенку макропоры матрикса из ре-генерированного шелка и на сферический альгинатный микроноситель. Определены морфологические параметры поверхностей макро-и микроносителей и адгезированных клеток: средняя шероховатость, удельная эффективная площадь и длина автокорреляции. Установлено, что средняя шероховатость по-верхности альгинатных микроносителей составляет 76,4 ± 7,5 нм, а средняя шероховатость поверхности стенки макроносителя на основе регенерированного шелка -133,8 ± 16,2 нм, в то время как средняя шероховатость внешних поверхностей клеток, адгезированных на микро-и макроносители, составляет 118,5 ± 9,0 и 158,8 ± 21,6 нм соответственно. Получены трехмерные реконструкции внутриклеточных компартментов размером от 140 до 500 нм. Выводы. Полученные в результате исследования количест-венные характеристики морфологии поверхностей клеточных носителей и адгезированных на них клеток позволяют исследовать корреляцию морфологических параметров поверхностей клеточных носителей и их биологические свойства. Использование метода сканирующей зондовой крионанотомографии для трехмерного анализа структуры и характеристик биоматериалов, клеток и биоискусственных клеточных конструкций позволит повысить эффективность разработок по созданию новых клеточно-инженерных конструкций с заданными физико-химическими и биологическими характеристиками для задач тканевой инженерии и регенеративной медицины.Ключевые слова : альгинат, фиброин, биоматериалы, клетки HepG2, биосовместимые матриксы, сканирущая зондовая нанотомография.

A Comparative Analysis of the Structure and Biological Properties of Films and Microfibrous Scaffolds Based on Silk Fibroin

“…The porosity of the scaffolds affects not only the migration of cells in the structure, but also determines the swelling property of the scaffolds for macromolecules, which are necessary for the synthesis of extracellular matrix components using cells. In addition, the porosity of the scaffolds ensures the removal of toxic metabolic products, or their redistribution, which can ensure the restoration of extensive tissue damage [43][44][45].…”