Исследователи из Университета штата Пенсильвания (Penn State) разработали необычную технологию, позволяющую управлять ориентацией живых клеток с помощью света и крошечных солнечных элементов. Разработка может найти применение в тканевой инженерии и биопечати, где точное расположение клеток играет важнейшую роль в создании искусственных биологических структур.
В отличие от традиционных методов электрической стимуляции, новая система не требует подключения электродов непосредственно к клеткам. Вместо этого она использует миниатюрные фотоэлектрические элементы, которые преобразуют свет в локальные электрические поля и тем самым влияют на поведение клеток.
Как работает технология управления клетками?
В основе разработки лежат крошечные кремниевые фотоэлектрические элементы, размещённые на специальной подложке. Каждый из них работает по принципу обычной солнечной батареи: поглощает свет и преобразует его энергию в электрический сигнал.
Однако исследователи использовали этот эффект не для получения электричества в привычном понимании, а для создания локальных электрических полей, способных влиять на ориентацию живых клеток.
Меняя размеры, расстояние между элементами и схему их расположения, учёные могут формировать различные конфигурации электрических полей. Таким образом, сама структура миниатюрной солнечной батареи становится инструментом управления клеточной организацией.
В ходе экспериментов специалисты проверили два подхода. В первом они изменяли диаметр отдельных фотоэлектрических элементов — от 80 до 800 микрометров. Во втором экспериментировали с различными схемами размещения элементов, сохраняя их размеры неизменными.
Что показали эксперименты?
Для проверки технологии исследователи использовали фибробласты человека — клетки соединительной ткани, отвечающие за производство и поддержание структурных компонентов, формирующих основу тканей организма.
В эксперименте участвовали фибробласты, полученные из тканей лёгких и кожи. Клетки разместили непосредственно на кремниевых подложках с фотоэлектрическими элементами, после чего подвергали воздействию света различной интенсивности на протяжении семи дней.
Результаты сравнили с контрольными образцами, которые находились на аналогичных подложках, но не получали освещения.
Разница оказалась заметной. В контрольных образцах клетки располагались преимущественно хаотично, тогда как в освещённых образцах их ориентация в значительной степени соответствовала геометрическому рисунку солнечных элементов.
Кроме того, выяснилось, что интенсивность освещения тоже имеет значение. Изменяя количество света, поступающего на фотоэлектрические элементы, исследователи могли регулировать создаваемый ими электрический отклик, а следовательно, и влиять на расположение клеток.
При этом учёные подчёркивают: технология пока не обеспечивает абсолютного контроля. На поведение каждой клетки продолжают влиять соседние клетки и взаимодействия между ними. Тем не менее эксперимент продемонстрировал принципиальную возможность направлять организацию целых групп живых клеток без использования проводных электродов.
Зачем это нужно: перспективы биопечати и тканевой инженерии
Одно из наиболее перспективных направлений применения разработки — трёхмерная биопечать.
Эта технология позволяет создавать биологические структуры послойно, используя специальные материалы с живыми клетками. Такие материалы называют биочернилами (bioink). С их помощью исследователи пытаются воспроизводить ткани, способные имитировать строение и функции естественных органов.
Однако недостаточно просто разместить клетки в нужном объёме. Не менее важно обеспечить их правильную ориентацию и пространственную организацию. В живом организме клетки часто располагаются в строго определённом порядке, и от этого зависит нормальное функционирование ткани.
Например, для создания искусственных мышечных или сердечных тканей особенно важно учитывать направленность клеток. Новая технология потенциально позволит точнее управлять этим процессом, используя свет в качестве внешнего управляющего сигнала.
Традиционные методы электрической стимуляции нередко требуют громоздкого оборудования и системы электродов. Миниатюрные фотоэлектрические элементы могут стать более компактной альтернативой, открывающей дополнительные возможности для управления клеточными структурами.
Следующий этап — управление клетками в трёхмерном пространстве
Исследовательская группа уже определила дальнейшие направления работы.
Прежде всего учёные планируют проверить технологию на более чувствительных типах клеток, в частности на клетках сердечной и скелетной мышечной ткани. Это позволит выяснить, способна ли электрическая стимуляция не только влиять на их ориентацию, но и изменять функциональные характеристики.
Ещё одна важная задача — перейти от экспериментов на плоских подложках к трёхмерным биологическим средам.
В нынешней конфигурации фотоэлектрические элементы формируют электрические поля преимущественно в пределах плоской поверхности. В трёхмерной системе исследователи рассчитывают научиться создавать поля, направленные по-разному, чтобы точнее контролировать расположение клеток внутри формирующихся тканей.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Advanced Functional Materials.
Пока говорить о готовой технологии создания полноценных искусственных органов преждевременно. Однако предложенный подход представляет собой перспективный инструмент для тканевой инженерии и регенеративной медицины. Он показывает, как сравнительно простое сочетание света, микроэлектроники и биологии может открыть новые способы управления живыми системами.
