Исследование микро- и наноструктуры клеток печени, культивированных на биодеградируемых скаффолдах на основе фиброина шелка, методом сканирующей зондовой оптической нанотомографии

Цель. Провести анализ трехмерной микро- и наноструктуры и количественных морфологических параметров клеток печени, культивированных на биодеградируемых  скаффолдах в виде пленок на основе фиброина шелка.

Материалы и методы. Для исследования, были получены образцы биодеградируемых скаффолдов на основе фиброина шелка с культивированными  клетками печени крысы породы Wistar. Изучение трехмерной структуры клеток печени, культивированных на скаффолдах, было выполнено методом сканирующей зондовой  оптической нанотомографии при помощи экспериментальной установки, объединяющей ультрамикротом и сканирующий зондовый микроскоп в корреляции с флуоресцентной 
микроскопией.

Результаты. Получены наномасштабные изображения и трехмерные  нанотомографические реконструкции участков клеток печени крысы, культивированных на скаффолде. Определены морфологические параметры клеток печени: средняя  шероховатость, удельная эффективная площадь. Установлено, что средняя шероховатость поверхности клеток печени Ra составляет 124,8 ± 8,2 нм, в то время как  эффективная площадь поверхности σ составляет 1,13 ± 0,02. Анализ объемного распределения липидных капель показал, что они занимают 28% объема клетки.

Выводы. Полученные в результате исследования данные демонстрируют, что технология сканирующей зондовой оптической нанотомографии позволяет успешно анализировать наноструктуру и определять количественные характеристики  наноморфологии клеток печени, культивированных на биодеградируемых скаффолдах.

1. Caplan J, Niethammer M, Taylor RMII, Czymmek KJ. The Power of Correlative Microscopy: Multi-modal, Multi-scale, Multi-dimensional. Curr Opin Struct Biol. 2011; 21 (5): 686–693. doi: 10.1016/j.sbi.2011.06.010.

2. Balashov V, Efimov A, Agapova O, Pogorelov A, Agapov I, Agladze K. High resolution 3D microscopy study of cardiomyocytes on polymer scaffold nanofibers reveals formation of unusual sheathed structure. Acta Biomaterialia. 2018; 68 (1): 214–222. doi: 10.1016/j.actbio.2017.12.031.

3. Efimov AE, Agapov II, Agapova OI, Oleinikov VA, Mezin AV, Molinari M et al. A novel design of a scanning probe microscope integrated with an ultramicrotome for serial block-face nanotomography. Review of Scientific Instruments. 2017; 88 (2): 023701. doi: 10.1063/1.4975202.

4. Mochalov KE, Chistyakov AA, Solovyeva DO, Mezin AV, Oleinikov VA, Molinari M et al. An instrumental approach to combining confocal microspectroscopy and 3D scanning probe nanotomography. Ultramicroscopy. 2017; 182: 118–123. doi: 10.1016/j.ultramic.2017.06.022.

5. Efimov AE, Moisenovich MM, Bogush VG, Agapov II. 3D nanostructural analysis of silk fibroin and recombinant spidroin 1 scaffolds by scanning probe nanotomography. RSC Adv. 2014; 4: 60943–60947. doi: 10.1039/c4ra08341e.

6. Ефимов АЕ, Агапова ОИ, Сафонова ЛА, Боброва ММ, Агапов ИИ. Трехмерный анализ микро- и наноструктуры ткани легкого методом сканирующей зондовой нанотомографии. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2020; 22 (3): 143–148. doi: 10.15825/1995-1191-2020-3-143-148.

7. Efimov AE, Agapova OI, Safonova LA, Bobrova MM, Parfenov VA, Koudan EV et al. 3D scanning probe nanotomography of tissue spheroid fibroblasts interacting with electrospun polyurethane scaffold. Express Polymer Letters. 2019; 13 (7): 632–641. doi: 10.3144/expresspolymlett.2019.53.

8. Kim HH, Park JB, Kang MJ, Park YH. Surface-modified silk hydrogel containing hydroxyapatite nanoparticle with hyaluronic acid–dopamine conjugate. Int J Biol Macromol. 2014; 70: 516–522. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2014.06.052.

9. Gil ES, Panilaitis B, Bellas E, Kaplan DL. Functionalized Silk Biomaterials for Wound Healing. Adv Healthc Mater. 2013; 2: 206– 217. doi: 10.1002/adhm.201200192.

10. Zhua M, Wanga K, Meia J, Lib C, Zhanga J, Zhenga W et al. Fabrication of highly interconnected porous silk fibroin scaffolds for potential use as vascular grafts. Acta Biomater. 2014; 10 (5): 2014–2023. doi: 10.1016/j.actbio.2014.01.022.

11. Gu Y, Zhu J, Xue C, Li Z, Ding F, Yang Y, Gu X. Chitosan/silk fibroin-based, Schwann cell-derived extracellular matrix modified scaffolds for bridging rat sciatic nerve gaps. Biomaterials. 2014; 35 (7): 2253–2263. doi: 10.1016/j.biomaterials.2013.11.087.

12. Kasoju N, Bora U. Silk fibroin based biomimetic artificial extracellular matrix for hepatic tissue engineering applications. Biomed Mater. 2012; 7 (4): 1–12. doi: 10.1088/1748-6041/7/4/045004.

13. She Z, Jin C, Huang Z, Zhang B, Feng Q, Xu Y. Silk fibroin/chitosan scaffold: preparation, characterization, and culture with HepG2 cell. J Mater Sci: Mater Med. 2008; 19: 3545–3553. doi: 10.1007/s10856-008-3526-y