Биологи МГУ научились влиять на регенерацию костной ткани с помощью магнитного поля

Комплексное исследование способности магнитоактивных материалов воздействовать на рост культивируемых предшественников клеток костной ткани и развитие самой костной ткани у лабораторных животных под управлением внешнего низкочастотного магнитного поля было проведено учеными биологического факультета МГУ с коллегами. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.

Результаты опубликованы в ACS Applied Materials & Interfaces.

Костная ткань обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. способностью генерировать электрический заряд на своей поверхности в ответ на механическую деформацию. Возникающее таким образом электрическое поле, например, при ритмической механической нагрузке на кости во время ходьбы регулирует нормальное функционирование клеток этих тканей, в том числе регенерацию тканей при их повреждении. Удивительно, но и некоторые полимеры бактериального происхождения, такие как поли-3-оксибутират и его сополимеры, также обладают пьезоэлектрическими свойствами. Помимо этого, эти полимеры высоко биосовместимы с окружающими тканями и рассасываются в них при имплантации, что делает их высоко перспективными для конструирования тканеинженерных скаффолдов и имплантатов для регенеративной медицины.

В связи с этим, ученые использовали поли-3-оксибутират, чтобы создать новый искусственный биоматериал, с комплексной имитацией не только структуры и физико-химических свойств соединительной ткани, но и ее пьезоэлектрических свойств. Прежде всего, они получили поли-3-оксибутират с заданной химической структурой путем контролируемого бактериального биосинтеза. Затем для имитации структуры соединительной ткани, которая состоит из переплетения полимерных волокон, был использован метод электроформования для создания из поли-3-оксибутрата волокнистых скаффолдов. Для получения магнитоактивных скаффолдов с многократно усиленным пьезоэлектрическим эффектом в полимерную основу поли-3-оксибутирата добавили магнитоактивные наноматериалы — наночастицы магнетита и их комплексы с оксидом графена, что позволило включать и выключать генерацию электрического поля на поверхности такого материала при помощи внешнего переменного магнитного поля. Для этой же цели они сконструировали уникальную установку по генерации внешнего магнитного поля низкой частоты (около одного герца), а также установку для бесстрессового воздействия магнитного поля на лабораторных крыс. 

Результаты исследования показали, что мезенхимальные стволовые клетки росли гораздо лучше на волокнистых скаффолдах, содержащих магнитные наночастицы, а наиболее активно на скаффолдах, содержащих оксид графена, чем на скаффолдах без наноматериалов. Оказалось, что низкочастотное магнитное поле выраженно стимулирует рост стволовых клеток. Тогда как магнитоактивные скаффолды под воздействием внешнего магнитного поля подавляли вызываемый им рост стволовых клеток, что, вероятно, может быть связано со стимуляцией их превращение в клетки костной ткани. Этот эффект подтвердился в экспериментах на лабораторных крысах, которым имплантировали разработанные скаффолды в бедренную кость. Оказалось, что пьезоэлектрический эффект, вызываемый магнитным полем, приводит к стимуляции образования новой костной ткани на имплантированных магнитоактивных скаффолдах, содержащих наночастицы магнетита и их комплекса с оксидом графена. Причем, скаффолды с оксидом графена продемонстрировали наиболее выраженное воздействие на рост новообразованной костной ткани. 

Однако, наблюдаемые эффекты могут быть связаны с влиянием на клетки и ткани не только пьезоэлектрического эффекта. Наблюдаемое явление может иметь более сложную природу, по-видимому, имеет место синергетическое влияние сразу нескольких факторов: помимо пьезоэлектрического эффекта — влияние шероховатости и смачиваемости поверхности скаффолдов и магнитомеханическое воздействие на клетки разработанного материала. Разработанные композитные скаффолды подвергаются биодеградации в организме, что было показано на модели ферментативной биодеградации in vitro. Введение магнитных наноматериалов ускоряет биодеградацию полимерных скаффолдов благодаря микроструктурным изменениям, а также порам на поверхности композитных волокон и увеличению содержания аморфной фазы.  

«Полученные результаты можно использовать в таких перспективных направлениях биоинженерии как разработка новых имплантируемых пьезоактивных биоматериалов для тканевой инженерии, создание пьезоактивных костных имплантатов для регенерации костной ткани, создание биореакторов со стимулируемым магнитным полем выращиванием клеток животных на биополимерных носителях, создание управляемых магнитным полем биосенсоров и других областях», — отметил доцент кафедры биоинженерии Антон Бонарцев. 

Расширение наших знаний о таких новых явлениях на стыке биологии, химии, физики и медицины, как влияние магнитоактивных биоматериалов на поведение клеток, возможно только при проведении подобных комплексных междисциплинарных исследований.  

В исследовании также приняли участие ученые  Томского политехнического университета совместно с ФИЦ Биотехнологии РАН, РУДН, НИИ Морфологии человека и Университета Авейру (Португалия).