Ученые из России первыми в мире исследовали механические свойства отдельных молекул гиалуроновой кислоты

Группа ученых университета «Сириус» и МФТИ исследовала фундаментальные свойства гиалуроновой кислоты на уровне отдельной молекулы с помощью новой уникальной методики на основе атомно-силовой микроскопии. Благодаря полученным данным специалисты смогут в будущем разработать биомиметические материалы, максимально похожие на живые ткани человека.

Гиалуроновая кислота активно используется в биомедицинских и косметических целях, а также входит в состав внеклеточного матрикса млекопитающих. Ее особенность еще и в том, что в процессе эволюции она практически не изменялась. Понимание механических свойств гиалуроновой кислоты позволит на ее основе создавать материалы, максимально приближенные к тканям живой природы. Например, у человека она входит в состав кожи, пуповины, синовиальной жидкости, стекловидного тела глаза и других тканей и органов.

В своей работе ученые использовали метод атомно-силовой микроскопии, суть которого заключается в сканировании поверхности образца острым зондом. В результате этого получаются данные о микрорельефе. Специально для этого исследования Дмитрий Клинов, руководитель группы направления «Биоматериалы» университета «Сириус», разработал сверхострые зонды, радиус острия которых составляет около 1 нм. Благодаря таким зондам стало возможным получение изображения отдельных молекул полимеров.

Еще одним важным условием для визуализации отдельных молекул полимера стало использование атомарно-ровной подложки. Ранее ученые разработали метод модификации поверхности высокоориентированного пиролитического графита с помощью глицинсодержащих молекулярных слоев.

Визуализация отдельных молекул гиалуроновой кислоты с высоким разрешением позволила ученым впервые получить данные об их механических свойствах. Оказалось, что молекулы гиалуроновой кислоты обладают в 1000 раз большим модулем Юнга (то есть они менее гибкие), чем коллаген, и в 10 раз большим, чем паутинные или амилоидные фибриллы. Подобное открытие еще на один шаг приблизило научное сообщество к созданию материалов, максимально похожих на человеческие ткани.

Ученые университета «Сириус» уже разрабатывают биомиметические материалы, которые позволят восстанавливать поврежденные ткани организма человека после травм или заболеваний. Гиалуроновая кислота рассматривается в данном контексте как один из важных компонентов искусственной кожи, так как улучшит ее биосовместимость и существенно повысит регенерацию поврежденных тканей.

Кроме ученых университета «Сириус» и МФТИ в исследовании принимали участие их коллеги из МГУ, Федерального научно-клинического центра физико-химической медицины ФМБА, Института молекулярной биологии имени Энгельгардта РАН, Института проблем химической физики РАН и Института материаловедения Мюлуза (Франция).

Дмитрий Клинов, руководитель научной группы научного центра генетики и наук о жизни направления «Биоматериалы» университета «Сириус», ответил на вопросы «Ъ-Науки».

— Расскажите подробнее о методе атомно-силовой микроскопии.

— Метод атомно-силовой микроскопии основан на сканировании поверхности образца специальным зондом. Зонд представляет собой миниатюрную пластину с закрепленной на ней пирамидкой. Острие пирамидки обращено к поверхности. Чем-то технология напоминает старинный граммофон, но все это миниатюрное, размером несколько десятков микрон (толщина одной стенки магазинного полиэтиленового пакета), изготовлено с помощью фотолитографии из кремния. Зонд сканирует образец с помощью пьезоэлектрического манипулятора, который может смещаться с высокой точностью. Во время сканирования поверхности образца зонд отклоняется, чувствуя изменения микрорельефа. С помощью оптической системы такие отклонения измеряются в каждой точке, и создается карта поверхности образца, соответствующая микрорельефу поверхности. Если на ровную поверхность нанести молекулы полимера или другие нанообъекты, то можно таким способом их «увидеть».

— Что такое сверхострые зонды?

— Обычный зонд, полученный методом фотолитографии из кремния, имеет радиус кривизны острия (вершины пирамидки) около 10 нм (1 нм = 10–9 м). Разрешение атомно-силовой микроскопии зависит от этого параметра. То есть чем острее зонд, тем мельче детали микрорельефа он может почувствовать. Ранее удалось вырастить алмазоподобные иглы на острие кремниевого зонда. Радиус кривизны таких игл — около 1 нм, что в 10 раз лучше обычных кремниевых зондов. На сегодня эти зонды являются самыми острыми в мире. Мы используем их для визуализации молекул биополимеров (ДНК, белков). Данная технология позволила получить изображения отдельных молекул гиалуроновой кислоты и отследить, как изгибается молекула.

— Что показало исследование молекул?

— Измерение зависимости контурной длины молекулы от расстояния между ее концами дает информацию о ее жесткости. Чем жестче молекула, тем более прямой она будет выглядеть, и наоборот — чем сильнее она изгибается, тем менее жесткой она является. Нами было показано, что молекулы ГК обладают в 1000 раз большим модулем Юнга, чем коллаген, и в 10 раз большим, чем паутинные или амилоидные фибриллы. Мы получили информацию о том, как изменяется жесткость молекул в зависимости от ионной силы. Гиалуроновая кислота является природным полимером, входящим в состав межклеточного матрикса. Введение ее в состав имплантируемых медицинских изделий должно улучшить их биосовместимость и снизить вероятность побочных эффектов.

— Расскажите о проектах по разработке биомиметических материалов.

— В данный момент в университете «Сириус» нами ведутся два научно-исследовательских проекта, связанных с разработкой имплантируемых медицинских изделий. Один из них направлен на получение раневых биоразлагаемых пленок для лечения кожных ран и дефектов, другой проект связан с разработкой биоразлагаемых винтов для крепления связок. Материалы для изготовления данных медицинских изделий должны обладать хорошей биосовместимостью, не вызывать воспалительных реакций и резорбироваться синхронно с восстановлением поврежденных тканей. Введение гиалуроновой кислоты в состав имплантируемых изделий улучшает их биосовместимость.

— Как, на ваш взгляд, это направление будет развиваться в дальнейшем?

— Уже сейчас гиалуроновая кислота широко используется в косметологии и медицине. Получение новых имплантируемых медицинских изделий с гиалуроновой кислотой позволит существенно улучшить их биосовместимость и восстановительные функции.

Подготовлено при помощи университета «Сириус».

Использованы материалы статьи.