Co dzieje się z komórkami w trakcie urazowych uszkodzeń mózgu lub podczas bliznowacenia skóry? Naukowcy korzystający ze wsparcia Unii Europejskiej opracowali nową, eksperymentalną metodę opartą na miękkich polimerach magnetoaktywnych, aby badać zachowanie komórek.
Komórki biologiczne są stale poddawane naprężeniom mechanicznym wywoływanym przez otaczające je substraty, co wpływa na ich zachowanie. Aby to zbadać, naukowcy wspierani przez finansowany ze środków Unii Europejskiej projekt 4D-BIOMAP opracowali nowatorską metodę opartą na polimerach magnetoaktywnych. Wyniki przeprowadzonych badań opisano w czasopiśmie „Applied Materials Today”.
Nowa metoda eksperymentalno-obliczeniowa umożliwia badaczom nieinwazyjne kontrolowanie złożonych odkształceń w substratach komórkowych w czasie rzeczywistym. Dzięki temu systemowi naukowcy mogą błyskawicznie ocenić, jak siły mechaniczne wpływają na komórki oraz jakie reakcje biologiczne wywołują.
Według informacji opracowanych w ramach badania nieinwazyjna stymulacja jest możliwa ze względu na zdolność miękkich, gumopodobnych materiałów magnetoaktywnych zwanych elastomerami magnetoreologicznymi do mechanicznego reagowania na zewnętrzne pola magnetyczne. Elastomery takie składają się z miękkiej osnowy polimerowej (poli(dimetylosiloksan)) zawierającej cząstki magnetyczne (sproszkowane żelazo karbonylowe) o mikronowej wielkości. Po wystawieniu na działanie zewnętrznego pola magnetycznego cząstki te magnetyzują się i reagują, zmieniając kształt lub sztywność.Proponowany system toruje naukowcom drogę do pozyskania informacji na temat procesów mechanobiologicznych, które zachodzą podczas złożonych i dynamicznych odkształceń, takich jak urazowe uszkodzenie mózgu, patologiczne bliznowacenie skóry oraz zwłóknieniowe przemodelowanie serca w trakcie zawału mięśnia sercowego. „Zdołaliśmy odwzorować lokalne odkształcenia, które zachodzą w mózgu podczas uderzenia. Umożliwi to rekonstrukcję takich przypadków w laboratorium oraz przeanalizowanie w czasie rzeczywistym, co dzieje się z komórkami i w jaki sposób są one uszkadzane”, wyjaśnia dr Daniel García-González z hiszpańskiej uczelni Universidad Carlos III de Madrid będącej gospodarzem projektu 4D-BIOMAP w artykule prasowym opublikowanym na stronie internetowej „EurekAlert!”. „Dodatkowo zweryfikowaliśmy ten system, wykazując jego zdolność do przenoszenia działania sił na komórki i oddziaływania na nie”.
Badacze opracowali wieloelementowy system stymulacji i obrazowania, który wykorzystuje wszechstronne właściwości elastomerów magnetoreologicznych do kontrolowania mechanicznego odkształcenia substratów komórkowych w nieinwazyjny sposób. Po raz pierwszy wyprodukowali różne elastomery tego typu cechujące się różnymi stopniami sztywności oraz siły sprzężenia magnetyczno-mechanicznego. Po przeanalizowaniu mechanizmów rządzących zachowaniem materiałów zespół opracował wielofizyczne i wieloskalowe ramy in silico, które pomogą w konfiguracji eksperymentalnej stymulacji. Wszechstronność tego systemu i jego przydatność udowodniono następnie, demonstrując jego zdolność do odwzorowania złożonych mechanicznych scenariuszy symulujących lokalne wydłużenia zachodzące w tkance mózgowej podczas uderzenia w głowę, a także jego zdolność do przenoszenia działania sił mechanicznych na systemy komórkowe (ludzkie fibroblasty skórne). Jak wyjaśniają autorzy badania: „Inaczej niż w przypadku wcześniejszych prób […] jednocześnie umożliwiamy: nieinwazyjną stymulację mechaniczną (za pośrednictwem pól magnetycznych), kontrolę stymulacji mechanicznej w czasie rzeczywistym oraz kontrolowanie rozmiaru lokalnych zmian i ich wydłużenia głównego za pomocą zmiennych (złożonych) odkształceń”.
Dr González zauważa w komunikacie prasowym: „Używając modelu obliczeniowego, wykorzystaliśmy podstawową wiedzę naukową, aby zaprojektować inteligentny system odkształcania, który, w połączeniu z mikroskopem opracowanym przez ERBN, umożliwia nam wizualizację odpowiedzi komórkowej in situ. W ten sposób stworzyliśmy kompleksowe ramy, aby stymulować układy komórkowe z użyciem inteligentnych materiałów magnetoaktywnych”.
Zespół przewidzianego na pięć lat projektu 4D-BIOMAP (Biomechanical Stimulation based on 4D Printed Magneto-Active Polymers) wykorzystuje zaawansowane techniki drukowania, by tworzyć magnetoaktywne polimery i opisywać je w krytycznych zastosowaniach powiązanych z funkcjonowaniem układu nerwowego. Projekt dobiegnie końca w grudniu 2025 roku.
Więcej informacji:
poleca:
