"Фотосессия для клетки". Как ученые проверяют качество искусственных органов в ресурсных центрах НИЦ "Курчатовский институт"

22 декабря 2018
Курчатовский институт Курчатовский институт

Современную науку невозможно окинуть взором. Какую сферу ни возьми – сотня направлений. Какому ни следуй – на каждом шагу открываются гигантские пласты знаний. Закопавшись в них, можно уйти на бесконечную глубину в попытках познать мироздание. Современная наука – это больше не колбы с пробирками. Современная наука тяготеет к конвергенции: все открытия и прорывы сейчас делаются на стыках разных дисциплин.

А современный ученый должен быть специалистом во многих областях. Чтобы понять, как устроен мир, познать себя и суть вещей, необходим подход сразу с нескольких различных точек зрения. Но фундаментальная наука так же обширна, как космос. А что же в более приземленном смысле?

Фундаментальная наука дает обширные побеги в виде вполне прикладных теорий и практик. Например, биоискусственные органы, которые могут значительно улучшить жизнь человека. Сегодня в Национальном исследовательском центре (НИЦ) "Курчатовский институт" над этим и другими подобными проектами работает целый комплекс нано-, биоинформационных, когнитивных и социо (НБИКС) – природоподобных технологий.

В состав НБИКС-комплекса входят научные лаборатории, в которых придумывают и создают новые материалы. Также тут созданы специализированные ресурсные центры, оснащенные по последнему слову техники. Важно, что лаборатории и ресурсные центры – в шаговой доступности.

Как это работает, можно проиллюстрировать на примере новейших материалов для медицины. Поскольку организм часто может отторгать донорские органы, нужно пересаживать человеку искусственные ткани, максимально "идентичные" своим собственным. Но где взять запасное легкое или полметра новых сосудов? Вот здесь биологам на помощь приходят нанотехнологии. В отделе нанобиоматериалов и структур разработаны каркасы кожи, искусственного легкого, искусственной трахеи, штифтов для скрепления костей с заранее заданными характеристиками и структурой. Одна из последних разработок – нетканый волокнистый материал на основе коллагена, на который ученым удалось высадить клетки дыхательного эпителия.

По сути этот полимер представляет собой синтетический каркас, на который, как виноградная лоза на решетку, цепляются новые клетки, взятые от самого пациента. Они делятся и постепенно "прорастают" в объеме всего каркаса, который через некоторое время начинает разлагаться. В итоге примерно в то время, когда клетки достаточно окрепнут, чтобы сформировать устойчивую структуру, от полимера не останется и следа. И человек получит не просто имплант, а по сути свой восстановленный орган с памятью уникальной архитектуры прежнего, на основе своих же клеток!

Однако мало создать каркас органа – нужно еще убедиться, что все идет по плану, что клетки хорошо себя чувствуют и активно делятся, что структура материала подходящая. То есть нужен "контроль качества". Для этих целей идеально подходят лаборатории ресурсного центра зондовой и электронной микроскопии "Нанозонд", куда мы и отправляемся.

Конечно, занимаются тут не только этим – в кабинетах можно встретить самых разных специалистов. Кто-то исследует полупроводники, микроэлектронику, взаимодействие лекарств с белками. Здесь работают даже археологи и музейные специалисты, которые, взаимодействуя с сотрудниками "Курчатовского института", определяют точный возраст и состав монеты с раскопок или сравнивают микроструктуру цветных стекол, произведенных в середине XVIII века на первом художественно-промышленном предприятии России, с современными аналогами.

Технологии будущего базируются на принципах природоподобия, то есть на механизмах, "подсмотренных" у природы. Их развитие происходит на основе конвергенции (объединения) нескольких, наиболее прорывных на сегодняшний день технологий: нанобиологических, информационных и когнитивных. Такие технологии подразумевают слияние органики и неорганики, включение информационных технологий, "оживление" полученных систем алгоритмами, имитирующими процесс работы человеческого мозга.

Все это позволит уже в ближайшем будущем достичь множества революционных результатов практически во всех отраслях производства и научного знания. Но чтобы построить природоподобную техносферу, нужно проникнуть вглубь вещества и увидеть процесс создания того или иного материала в динамике и на субатомарном уровне. Разглядеть это можно только с помощью уникальных мегаприборов, которые собраны в Курчатовском комплексе НБИКС-природоподобных технологий (нано-, био-, инфо- и когнитивных исследований).

В комплексе эта уникальная суперсовременная комбинация мегаустановок позволяет оперативно проводить нужные исследования с помощью разных методик: рентгеноструктурного анализа, различных методов синхротронного изучения, криоэлектронной микроскопии, ядерно-магнитного резонанса и других. А после уже можно приступить к воспроизведению систем живой природы для пользы человека.

Но не будем распыляться и остановимся сегодня только на биоискусственных органах. Тем более, как раз принесли образцы каркаса нового органа. Пока ассистент подготавливает их, руководитель ресурсного центра "Нанозонд" Михаил Пресняков рассказывает, как именно все будет проходить.

"Мы можем исследовать сам каркас: достаточно ли он пористый, какая у него структура. Это важно, чтобы клетки лучше заселялись. Мы можем также посмотреть, как клетка приживается на каркасе, как она выглядит через пять, семь, 30 дней. Можем даже заглянуть глубже и узнать, как меняется структура живой клетки в процессе взросления", – пояснил ученый.

Чтобы разглядеть клетку на уровне белков, ее нужно правильно подготовить. А точнее, правильно заморозить. Просто подержать в холодильнике недостаточно, ведь тогда белки будут портиться и погибать. Поэтому ученые придумали хитрую систему: в специальную чашку наливают жидкий азот, а в середине оставляют свободное место, в котором концентрируют этан. Он замораживает буквально за считанные доли секунды. Так быстро, что лед даже не успевает сформироваться в привычные кристаллы.

"Получается так называемый аморфный лед. Он не дает искажений и позволяет рассмотреть всю структуру, вплоть до субатомного уровня. Таким образом мы можем отснять белки с разных ракурсов и потом создать трехмерную модель отдельного белка или даже всей клетки. Можем понять, как она устроена и хорошо ли приживается", – рассказывает Михаил Пресняков.

Сам белок, кстати, даже не успевает понять, что его заморозили, поэтому не погибает и остается в своем естественном состоянии. Препарированную клетку наносят на тонкую сеточку, в диаметре она составляет всего три миллиметра, а ячейки в ней размером 20х20 микрон. Или около того… в общем, очень маленькие. Ее нужно зажать в пинцете и поместить в специальный аппарат, который и производит все эти действия. Кстати, установка уникальная, а ее разработчик в этом году получил Нобелевскую премию.

Потом сеточки с замороженными образцами помещают в специальный патронташ и отправляют, собственно, на фотосессию. Забудьте про классические микроскопы и пробирки – сегодня ученые работают на сложных компьютеризированных комплексах. А микроскопы, позволяющие заглянуть в самую суть вещества, больше напоминают внешним видом помесь холодильника и кофемашины.

Полимеры можно рассмотреть на сканирующем электронно-ионном микроскопе Helios Nanolab 600i. Загружаем образец, запускаем сканирование – и через некоторое время перед нами предстает структура синтетического полимера, который заселяют стволовыми клетками. Он, как коллагеновые волокна, на которые крепятся клетки естественного эпителия человека.

"Мы видим, что расстояния между волокнами большие – это хорошо, клеткам будет удобнее делиться и развиваться. Если клетке не понравится среда, она будет "ошариваться", то есть поджимать под себя отростки, сворачиваясь, как ежик. И в конечном итоге не станет развиваться", – отмечает наш собеседник.

Но с этим образцом все хорошо. Итак, основание достаточно качественное, а что же сами клетки? Их мы будем рассматривать с помощью просвечивающего электронного криомикроскопа Titan Krios 60-300. Это огромный трехметровый шкаф, который занимает целую комнату! Вероятно, это самый большой микроскоп! Сам аппарат находится внутри, а то, что мы видим снаружи, – кожух, защищающий его от любых внешних факторов, которые могут вызвать помехи и сказаться на качестве снимков.

С органикой работать сложнее, но аппарат способен не только фотографировать. В нем встроена криокамера, где образцы могут храниться какое-то время. Установка потребляет 30 литров жидкого азота в сутки! Его автоматически подают по специальному рукаву. Это очень кстати, потому что часто бывает так: отсняли все, потратили несколько часов, а часть снимков или даже все совершенно не подходят. Тогда приходится повторять процедуру заново – но не нужно готовить новый образец, можно продолжить работу со старым.

На съемку может уйти целый день или даже не один! Результат всех усилий – трехмерная модель белка, на которой видны все атомы и субатомные элементы. Ученый может рассмотреть ее со всех сторон, понять, как она устроена. И даже проследить, как она развивается. Клетка эпителия, которую разглядывали мы, вполне жизнеспособна – она радостно тянет отросток и хочет закрепиться в новом "жилище". Что ж, этот орган наверняка пройдет контроль качества. И, вероятно, будет долгие годы служить своему хозяину.