О лаборатории биофизики возбудимых систем в МФТИ

В специальном выпуске журнала. «Труды МФТИ», посвященном юбилею Физтеха. (2011, том 3, № 4), мы рассказывали о развитии научных исследований в НОЦ «Бионанофизика» МФТИ и, в частности, о становлении лаборатории «Наноконструирование мембраннобелковых комплексов для контроля физиологии клетки», в которой изучаются процессы, происходящие в сердечных клетках, разрабатываются методы фотоконтроля активности сердечной мышцы и технологии создания искусственных высокоструктурированных многослойных фрагментов сердечной ткани [1]. Официальным началом этой экспериментальной лаборатории считается ноябрь 2010 года, когда, заявка, от НОЦ под руководством К.И. Агладзе, выпускника факультета общей и прикладной физики и профессора Киотского университета, выиграла, в конкурсе мегагрантов Правительства. России. И сейчас в связи с окончанием проекта, пришло время подвести его главные итоги.

Сразу заметим, что почва, для создания лаборатории готовилась заранее с организации биофизических лекционных курсов, семинаров и практикумов для студентов 2-6 курсов факультетской кафедры ФОПФ, ремонтов помещений (примерно 200 кв. м в лабораторном корпусе МФТИ) и закупок первого оборудования из средств НОЦ «Бионанофизика» и Программы НИУ-МФТИ. На протяжении всего периода, работы лаборатория получала. и отбирала, хорошо подготовленных и талантливых студентов Физтеха, которые вместе со своими научными руководителями сейчас составляют кадровый костяк лаборатории. Кроме этого, продуктивность исследовательской лаборатории во многом определяется ее «сервисом»: наличием грамотного вспомогательного персонала, организацией рабочих мест, своевременными закупками и поставками оборудования и расходных материалов (на. это истрачено больше половины средств мегагранта), бухгалтерией, отчетностью, удобствами проживания сотрудников и т.д. Эту рутинную, но необходимую составляющую работы лаборатории обеспечивало руководство факультета.

Основные достижения лаборатории за двухлетний период работы:

• 1.    Создана базовая платформа для тканевой инженерии в МФТИ

  • 1.1.    Налажена, методика, получения и культивирования первичной культуры неонатальных кардиомиоцитов.

  • 1.2.    Получены, ведутся и адаптированы к исследовательским задачам иммортализо-ванные линии кардиомиоцитов HL-1, в том числе с трансфецированным геном канального родопсина. 2.

  • 1.3.    Собрана и отлажена установка для получения полимерных волокон методом электроспиннинга. Получены нановолокна из полиметилглютаримида (PMGI), поликапролактона (PCL), полигидроксибутирата (РНВ), а также композитные волокна, импрегнирован-ные углеродными нанотрубками.

  • 1.4.    Выращены лоскуты сердечной ткани на полимерных нановолокнах. Ведутся опыты на. животных на. базе ФГБУ «НИИ КПССЗ» СО РАМН.

• 2.    Разработаны методы фотоконтроля возбудимых клеток с помощью азо-бензентриметиламмониумбромида (АзоТАБ)

  • 2.1.    Создана установка компьютерного фотоуправления сердечной культурой. Установка позволяет проецировать сгенерированные компьютером образы на слой культуры ткани и с помощью АзоТАБа задавать необходимую картину возбуждения.

  • 2.2.    На примере планарий с помощью АзоТАБа. доказана, возможность управлять светом поведением целого организма.

  • 2.3.    Произведен синтез новых фотосенсибилизаторов, производных азобензола, и стильбена, позволяющих вывести метод фотоконтроля возбудимости кардиомиоцитов на новый уровень.

  • 2.4.    Показана, возможность постоянного локального отключения возбудимости облучаемой ультрафиолетом сердечной ткани при очувствлении ее с-табом, сохраняющееся после полной его отмывки. Предварительные данные показывают, что этот метод фотосенсибилизации обладает меньшими повреждающими свойствами по сравнению с АзоТАБом. С-таб-очувствление будет использовано для контроля архитектуры культивируемой сердечной ткани и исследована, возможность использования его в катетерной фотоаблации.

• 3.    Разработана методика совместного выращивания сердечных клеток первичной культуры и иммортализованных для исследований интеграции клеток в единую проводящую сеть

Данная методика будет использована для исследования моделей регенерации клеток с помощью кардиомиоцитов, полученных из стволовых и плюрипотентных клеток.

Ниже, в этом номере журнала, публикуются несколько статей, выполненных сотрудниками лаборатории биофизики возбудимых систем в МФТИ. О чем же эти статьи? Читатель увидит, что спектр исследований достаточно широк: от современных наноматериалов до нелинейных волн, от культуры тканей — до малоуглового рассеяния... Что это — эклектика, отсутствие ясной цели? Конечно, нет. С самого начала, в проект лаборатории была, заложена концепция адаптивности и даже некоей универсальности. В современном быстро меняющемся научном мире невозможно годами «долбить свою узкую нишу», огромные средства и усилия легко могут пойти прахом из-за радикальных изменений научной картины мира. Приведем лишь один пример. В регенеративной медицине всегда, остро стоял вопрос об иммунной совместимости имплантируемых тканей с реципиентом. Естественно, эта проблема встала и при использовании донорских стволовых клеток [2]. Много усилий различными исследовательскими группами было потрачено на. такую модификацию имплантируемых клеток, которая позволяла, бы преодолеть иммунную несовместимость. Однако мы живем в очень интересное время — как раз этой осенью Нобелевская премия по биологии была, присуждена, профессору университета. Киото Шинья Яманака, открывшему в 2007 году способ перепрограммирования «терминально» дифференцированных клеток организма. И теперь вся схема, процесса, регенерации выглядит совершенно по-другому: берутся клетки кожи или соединительной ткани самого пациента, переводятся в так называемое плюрипотентное состояние, наращиваются в необходимых обьемах, а. затем переводятся в клетки органа, нуждающегося в восстановлении. Понятно, что все усилия по иммунной модификации тканей оказываются совершенно ненужными.

Кроме того, стратегия построения биофизической лаборатории в МФТИ определялась ее высокой долей автономности. В рамках, скажем, биомедицинского института или исследовательского центра вполне могут и успешно существуют узкоспециализированные лаборатории: помогает кооперация и интеграция с коллегами. В МФТИ же собственная биологическая исследовательская база фактически отсутствовала. Например, один только вопрос работы с лабораторными животными повергал службы Физтеха в состояние, близкое к шоковому. Тем не менее при поддержке ректората и руководства факультета общей и прикладной физики удалось найти решение вроде бы «нерешаемой» проблемы и получить то, что мы сейчас имеем. На Физтехе создана современная биофизическая лаборатория, экипированная по последнему слову техники. И одним из свидетельств ее успешно начатой работы служат статьи, опубликованные в этом журнале.

Какие же методы представлены в лаборатории? В первую очередь это современная микроскопия: конфокальная, атомно-силовая, электронная. Параметры приборов выбирались так, чтобы можно было работать на объектах, представляющих как отдельную клетку, так и многоклеточный ансамбль — биологическую ткань. Оптические методы лаборатории представлены также уникальными установками, позволяющими вести оптическое картирование биологических тканей [3], т.е. исследовать пространственно-временную активность ткани с помощью флюоресцентных зондов. Электрофизиологические методы представлены современной установкой так называемого пэтч-клампа [4]. Поскольку же объектом исследований служат культуры ткани как первичной, выделяемой из лабораторных животных, так и клеточные линии, в лаборатории представлен весь цикл оборудования, позволяющий вести работы с этими культурами. Наконец, для целей тканевой инженерии в лаборатории работают установки, позволяющие получать полимерные волокна с необходимыми физикохимическими параметрами.

Направление исследований было выбрано в области системной биологии. Наибольший интерес здесь представляла биофизика возбудимых систем, в частности сердечной ткани. Таким образом, в фокусе наших исследований оказалась сердечная ткань. В представленных ниже работах вы увидите первые результаты, полученные в МФТИ на культуре сердечной ткани, в том числе и на фотоуправляемой сердечной ткани. Неинвазивный фотоконтроль активности сердца представляет собой очень перспективное, с точки зрения приложений, направление исследований. В этой области в нашей лаборатории в МФТИ получили дальнейшее развитие технологии, первоначально созданные в лаборатории К.И. Агладзе в Киото [5]. Например, был проведен цикл работ, показавший, что с помощью света и специального вещества — АзоТАБа — можно управлять и поведением целого организма, такого, как планария. В настоящее время совместно с ИИХР (ЦВТ «ХимРар») ведутся работы по синтезу новых веществ, пригодных для фотоуправления возбудимыми тканями. Получили дальнейшее развитие и методы тканевой инженерии, базирующиеся на применении полимерных нановолокон [6]. Создаются первые искусственные лоскуты сердечной ткани, пригодные для модельной трансплантации лабораторному животному. Достигнута договоренность о совместных экспериментах в этом направлении с сотрудниками Кемеровского кардиоцентра.