Остеоцит в искусственном матриксе

На этой фотографии, сделанной при помощи сканирующего электронного микроскопа, запечатлен черепной остеоцит — клетка костной ткани позвоночных животных. Он выращен из культуры клеток зачатков челюстных костей эмбрионов мышей в специально разработанной трехмерной среде. Чтобы остеоцит было лучше видно, на фото его раскрасили красным цветом. Сразу бросается в глаза, насколько он сложно устроен: многочисленные отростки отходят от клетки в разные стороны — они нужны для контакта с другими клетками кости, которые сообща трудятся над ее формированием.

В ходе эмбрионального развития кости возникают двумя путями из двух групп клеток. Большая часть скелета развивается из мезодермы на основе предварительно сформировавшейся хрящевой ткани. А кости черепа формируются из совсем других клеток — клеток нервной трубки — непосредственно, без стадии хряща. Предшественники остеоцитов, остеобласты синтезируют костный матрикс — межклеточное вещество, основой которого является минерал гидроксиапатит, придающий кости твердость. В нем клетки замуровываются, превращаясь в остеоциты. Сами клетки находятся в полостях — костных лакунах, а вокруг их отростков образуются костные канальцы, по которым питательные вещества проникают из кровеносных сосудов в костные клетки. Остеоциты контролируют состояние костного матрикса и обмен веществ между костью и кровью. Остеоцит на фотографии уже успел замуроваться.

Разумеется, было бы полезно искусственно выращивать эти клетки для исследований и медицинских нужд. Однако есть один нюанс: большинство клеточных культур в лабораториях выращивают в плоских чашках Петри — среде совершенно не похожей на трехмерную структуру реальной кости. Предшественники остеобластов, ограниченные плоским субстратом, представляют не слишком показательную картину для исследования формирования и роста костей. Чтобы создать более жизнеподобную систему, исследователи придумали искусственный матрикс для выращивания костной ткани — именно в таком матриксе удобно расположилась клетка на фотографии.

Остеоциты в искусственном матриксе спустя три недели после дифференциации клеток: A — остеоцит в лакуне пустил отростки к соседним клеткам, образовав канальцеподобные структуры (показаны стрелками); B — остеобласт только начинает перестраивать окружающий матрикс в лакуноподобную полость; C — фотография трехмерной микросреды, где расположились несколько костных клеток. Масштабные линейки в A и B — 3 мкм, в C — 10 мкм. Фото из статьи B. Namkoong et al., 2015. Recapitulating cranial osteogenesis with neural crest cells in 3-D microenvironments

Искусственный матрикс создан на основе желатина, а желатин, в свою очередь, является продуктом переработки коллагена — основного компонента соединительной ткани животных. В таких условиях, в отличие от чашек Петри, клетки не только приобретают характерную для остеобластов и остеоцитов морфологию, но и начинают синтезировать набор белков, характерный для клеток кости, и формировать костный матрикс. Показано, что такой матрикс способствует также дифференциации клеток-предшественников остеобластов и в случае их мезодермального происхождения.

Фото © Arkhat Abzhanov с конкурса The Art of Research 2016 года, организованного Имперским колледжем Лондона.

Источник: B. Namkoong et al., 2015. Recapitulating cranial osteogenesis with neural crest cells in 3-D microenvironments.

Вероника Самоцкая, Евгения Правдолюбова