Любой гель — это трёхмерный каркас из полимерных молекул, а пространство между нитями полимеров может быть чем-то заполнено.
Гидрогели, как можно понять по названию, содержат очень много воды — полимерный каркас у них делают из молекул, которые очень любят воду; некоторые гидрогели вообще существуют в виде коллоидных растворов. В ту воду, которую они удерживают, можно добавить что-нибудь полезное, например, лекарство или стволовые клетки, которыми мы хотим залечить какую-нибудь рану.
Просто воды, пусть даже с питательными веществами, стволовым клеткам недостаточно. Им нужны молекулярные сигналы, которые будут поддерживать их деление и побуждать их превращаться в зрелые, дифференцированные клетки того или иного типа. Такие гели сейчас активно разрабатываются. Например, сотрудники Мельбурнского университета и Австралийского национального университета давно экспериментируют с пептидным гидрогелем, который несёт в себе нервные стволовые клетки — то есть те, из которых образуются нейроны. Гель не просто поддерживает стволовые клетки в жизнеспособном состоянии, она также помогает им укрепиться на новом месте и встроиться в новое окружение. Для нейронов это особенно важно — сформировать синапсы с новыми клетками, с которыми они до сих пор никогда не встречались. Если нейрон будет плохо идти на контакт, вся работа стволовых клеток пропадёт зря.
Гели с нервными стволовыми клетками можно было бы использовать там, где мозг пострадал от инсульта, от каких-то нейродегенеративных процессов или попросту от физической травмы. Эксперименты на животных демонстрируют, что новые клетки, образованные из гидрогелевых стволовых, действительно встают на место прежних погибших нейронов. Однако такое лечения не всегда достигает нужной эффективности. Стволовым клеткам, как и всем, нужен кислород, а когда они оказываются в толще нервной ткани, то им приходится довольствоваться тем кислородом, который диффундирует сквозь эту самую толщу. Кровеносные сосуды могли бы исправить положение, но там, где требуется терапевтическое вмешательство, с кровоснабжением тоже всё неважно: кровеносные сосуды повреждены или просто исчезли, и нужно время, чтобы они снова проросли вокруг и внутрь проблемной зоны.
В общем, нужно снабдить стволовые клетки в гидрогеле запасом кислорода. В статье в Nature Communications говорится, что запасти кислород в гидрогеле можно с помощью миоглобина. Это белок сердца и скелетных мышц, и задача его в том, чтобы удерживать кислород и отдавать его, когда понадобится — например, когда кровь не успевает снабжать работающую мышцу «обычным», гемоглобиновым кислородом. Миоглобин есть у разных зверей, и для эксперимента взяли миоглобин кашалотов и лошадей. Кашалоты знамениты своими долгими погружениями в воду, так что их миоглобин особенно эффективно запасает кислород; лошадей же их миоглобин спасает, когда нужно долго без устали бежать. Исследователи не просто использовали китовый и лошадиный миоглобин, они также модифицировали белок мутациями. Например, для китового миоглобина получали варианты, которые удерживают кислород слабее или сильнее, чем натуральный вариант белка.
Различные миоглобины добавляли в гидрогель со стволовыми предшественниками нейронов и вносили этот гидрогель в повреждённый мышиный мозг. Стволовые клетки были снабжены флуоресцентным белком, так что по их свечению можно было понять, как они делятся и во что превращаются. В целом миоглобин действительно пошёл клеткам на пользу, и особенно тот миоглобин, который труднее отдавал кислород. То, что он отдавал его труднее, означает, что уровень кислорода вокруг должен был довольно сильно упасть. То есть «жадный» миоглобин отдавал кислород тогда, когда это было и впрямь нужно, и запас кислорода расходовался аккуратно и по делу.
Эффект от миоглобина и кислорода был в том, что стволовые клетки активнее дифференцировались, то есть превращались в зрелые нейроны, которые с большей вероятностью выживали в новом окружении и активнее встраивались в ткань мозга. Возможно, что уловка с миоглобином будет полезна не только для нервных клеток, но и вообще в любых случаях, когда речь идёт о терапии стволовыми клетками. Хотя всё равно нужно проверить, могут ли миоглобиновые запасы кислорода простимулировать превращение стволовых клеток в клетки кожи, или клетки сетчатки, или мышц, или кишечника.
Автор: Кирилл Стасевич