Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова исследовали полимеры полиоксиалканоаты, которые могут синтезировать бактерии кишечной микробиоты. Эти соединения способны активировать восстановление костной и хрящевой ткани. Направление перспективно для современной медицины, так как позволяет разрабатывать новые изделия тканевой инженерии. Работа поддержана Президентской программой Российского научного фонда и опубликована в World Journal of Stem Cells.

Картинка: штамм-продуцент ПОА Azotobacter chroo...

Картинка: штамм-продуцент ПОА Azotobacter chroococcum 7Б с гранулами поли-3-оксибутирата в бактериальной клетке в процессе биосинтеза этого биополимера (просвечивающая электронная микроскопия, увеличение ×50000). Источник: Антон Бонарцев

Тело человека состоит из огромного количества различных веществ, среди которых особое место занимают биополимеры — это белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты. Среди них есть и гораздо менее известные соединения, например, полиоксиалканоаты. Они обнаружены у животных, растений и грибов, но главным образом это бактериальные полимеры. У человека их синтезируют различные микроорганизмы, живущие в кишечнике. Производят эти полимеры как биотехнологическим путем при помощи бактерий, так и по технологии химического синтеза. При этом синтетические полимеры отличаются по своей структуре от природных. Полиоксиалканоаты разрушаются ферментами организма до безвредных соединений, и совместимы с организмом — не наносят вред тканям. Поэтому они используются для изготовления имплантируемых в тело медицинских изделий, например, эндопротезов и шовных нитей. Природные и синтетические полиоксиалканоаты довольно прочные и пластичные, а также могут стимулировать регенерацию костной и хрящевой ткани. Полимеры перспективны для создания скаффолдов — специальных каркасов, на которых можно формировать среду для развития клеток различных типов.

Ученые из МГУ имени М.В. Ломоносова исследовали биологические свойства природного предшественника всех полиоксиалканоатов — поли-3-оксибутирата. Они использовали пористые скаффолды, которые получили, вымыв соли из полимерного раствора. В экспериментах in vitro, то есть «в пробирке», ученые показали, что поли-3-оксибутират хорошо совместим с разными типами клеток. Стволовые клетки на каркасе из биополимера также хорошо росли и трансформировались в костные клетки. Это было видно по форме, специфической активности генов и замедлению деления клеток.

Картинка: мезенхимальная стволовая клетка, прео...

Картинка: мезенхимальная стволовая клетка, преобразовавшаяся в остеобласт и отложившая вокруг себя кристаллы неорганической основы кости — солей кальция через 3 недели культивирования на скаффолде из поли-3-оксибутирата (сканирующая электронная микроскопия, увеличение ×370). Источник: Антон Бонарцев

Схожие результаты ученые получили в экспериментах in vivo: скаффолды, в том числе засеянные стволовыми клетками, имплантировали в кости лабораторных животных. Изделия полностью врастали в ткань и затем замещались ею. Исследователи показали, что рост клеток зависел от структуры каркаса, например, размера и формы пор. Чтобы проверить, связана ли костная активность поли-3-оксибутирата с его природными функциями как бактериального полимера, сегодня ученые используют каркасы из него для исследования регенерации слизистой кишечника.

Картинка: структура поверхности скаффолда, сост...

Картинка: структура поверхности скаффолда, состоящего из слоя пористых микросфер из поли-3-оксибутирата, предназначенного для регенерации стенки кишечника (справа — широкопольная световая микроскопия, увеличение ×10, слева — сканирующая электронная микроскопия, увеличение ×500). Источник: Антон Бонарцев

«В этом исследовании при поддержке РНФ мы постарались разобраться, как связаны биомедицинские свойства и терапевтическая активность полиоксиалканоатов с их природными функциями. Вероятно, эти полимеры могут воздействовать на организм человека через еще не изученные механизмы, которые затрагивают и стволовые клетки. Эти реакции могут лежать в основе коммуникации между бактериями микробиоты и клетками иммунной системы, слизистой оболочки кишечника и других органов человека», — говорит руководитель проекта Вера Воинова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник МГУ имени М.В. Ломоносова.

Картинка: Вера Воинова, старший научный сотрудн...

Картинка: Вера Воинова, старший научный сотрудник кафедры биохимии Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Источник: Антон Бонарцев