Porowate kuliste węgle można wykorzystać jako rusztowanie do hodowli in vitro komórek ssaków. Naukowcy z Centrum Inżynierii Biomedycznej WAT przebadali trzy typy materiałów pod kątem adhezji oraz proliferacji komórek. Jeden z nich, nanoporowaty węgiel WET_C ma duży potencjał w zastosowaniach biomedycznych. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie „Nanotechnology”.
Porowate węgle charakteryzują się unikalnymi właściwościami fizykochemicznymi, dlatego są przydatne w wielu aplikacjach przemysłowych, technicznych i medycznych. Materiały tego typu są wykorzystywane m.in. w superkondensatorach do magazynowania energii (w akumulatorach lub zbiornikach wodoru), konwersji energii (ogniwa paliwowe i słoneczne), czujnikach i inżynierii środowiskowej (adsorpcja tlenków siarki i tlenków azotu oraz oczyszczanie wody).
W ostatnich latach rośnie zainteresowanie porowatymi węglami w zastosowaniach klinicznych. Testuje się je jako biokompatybilne nośniki leków, rusztowania dla hodowli komórek ssaczych oraz wsparcie macierzy zewnątrzkomórkowej ECM (ang. extracellular matrix).
„W Centrum Inżynierii Biomedycznej WAT prowadzimy interdyscyplinarne prace na pograniczu biologii, medycyny oraz biotechnologii. Jest to idealne miejsce do wykazania przydatności tego typu struktur w medycynie regeneracyjnej, jako nośnika leków lub innych substancji” – mówi dr inż. Łukasz Osuchowski z Instytutu Optoelektroniki WAT.
Badania prowadzone przez naukowców WAT, których wyniki zostały opisane w czasopiśmie „Nanotechnology” miały na celu opracowanie nanoporowatych materiałów węglowych jako niecytotoksycznych nośników. W przedmiotowym artykule, wykorzystano trzy sferyczne węgle aktywne SAC (ang. spherical activated carbons) do badania adhezji oraz proliferacji komórek ssaczych (mysie komórki Leydiga TM3), czyli przyczepiania się komórek i namnażania na ich powierzchni. Nanoporowate struktury węglowe otrzymano przez karbonizację i późniejsze dokładne procesy oczyszczania z komercyjnie dostępnych wymieniaczy jonowych.
„Scharakteryzowano trzy materiały pod kątem nanoporowatości za pomocą izoterm adsorpcji i desorpcji azotu oraz intruzji rtęci. Dwie struktury mają dobrze rozwinięte powierzchnie właściwe, różniące się rozkładami wielkości porów. XAD_C jest mezo-makroporowaty i charakteryzuje się szerokością porów w zakresie 10 – 10 000 nm, natomiast WET_C był mikro-mezoporowaty i charakteryzował się szerokością od pojedynczych nanometrów do 80 nm. Trzeci materiał, który był nieporowatym materiałem kulistym, posłużył jako punkt odniesienia przy opracowywaniu wyników badań” – wyjaśnia naukowiec.
W badaniach nie stwierdzono cytotoksyczności wszystkich wykorzystanych struktur węglowych, tj.: nie powodowały one żadnych negatywnych skutków względem komórek Leydiga TM3. Jednakże różnice w powierzchni otrzymanych węgli znacząco wpływały na zdolność adhezji komórek ssaków. Zmienność w strukturze porowatej i topografii powierzchni węgli, wpłynęła na morfologię przylegających do nich komórek Leydiga. Na powierzchni mikroporowatego materiału WET_C, naukowcy uzyskali monowarstwę komórek. Dla innych materiałów sposób adhezji komórek był zupełnie inny, o tendencji łączenia się w skupiska.
„Komórki, które przylegały do powierzchni XAD_C przyjmowały formy klastrów. Po przeprowadzeniu odpowiednich technik mikroskopowych i testów żywotności wykazaliśmy, że najlepszym okazał się nanoporowaty węgiel WET_C zapewniał dobrą powierzchnię do przyłączania i proliferacji komórek TM3. Udowodniliśmy, że sferyczne węgle aktywne wchłaniają w dużym stopniu aminokwasy i inne cząsteczki z pożywki. Ponadto towarzyszące zjawisko adsorpcji utrudnia badania biologiczne oparte na barwnikach fluorescencyjnych powszechnie stosowanych testów w biologii komórki, np. testu proliferacji komórek. W artykule wyjaśniliśmy, jak uniknąć tych zakłóceń i zapewnić najbardziej wiarygodne wyniki dotyczące adhezji komórek do porowatych biokompatybilnych materiałów węglowych” – tłumaczy dr inż. Osuchowski.
Potencjalnie otrzymane porowate kuliste węgle można wykorzystać jako rusztowanie do hodowli in vitro komórek ssaków. Są to materiały o ogromnych możliwościach adsorpcyjnych, które dodatkowo można stosować m.in. w magazynowaniu produktów metabolizmu komórkowego. Należy jednak mieć na uwadze właściwości porowatych węgli, które to wiążą składniki pożywki, co utrudnia stwierdzenie efektywności proliferacji komórek. Jak wynika z przeprowadzonych badań, dopiero wstępne wysycenie węgli aktywnych pożywką pozwoliło na przeprowadzenie eksperymentów, co jest niezwykle istotne z punktu aplikacyjnego i naukowego.
„Wyniki przedstawione w artykule wskazują na potrzebę szerszych badań nad adhezją i wzrostem komórek ssaków na porowatych powierzchniach węglowych. Niezwykle istotne są obserwacje zmian parametrów fizykochemicznych tych unikalnych materiałów w zastosowaniach jako rusztowania do hodowli komórkowej. W dalszych badaniach planujemy modyfikację materiałów, aby zintensyfikować adhezję i proliferację komórek poprzez dodatki biopolimerów oraz innych substancji mających wpływ na to zjawisko. Ponadto będziemy pracować nad wykonaniem monolitów węglowych o podobnym charakterze chemicznym powierzchni oraz najkorzystniejszej porowatości” – wyjaśnia naukowiec.
Badania dotyczące komórek eukariotycznych (testy i wizualizacja hodowli komórek) w całości zostały wykonane w Centrum Inżynierii Biomedycznej (CIBio) Instytutu Optoelektroniki. Charakterystyka porowatości materiałów węglowych została przeprowadzona w Wojskowym Instytucie Chemii i Radiometrii (WIChiR) oraz na Politechnice Wrocławskiej w Katedrze Inżynierii Procesowej i Technologii Materiałów Polimerowych i Węglowych. Syntezę oraz oczyszczanie materiałów węglowych przeprowadzono wspólnie w CIBio, WIChiR i na Wydziale Nowych Technologii i Chemii WAT w ramach współpracy naukowej.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Nanotechnology” w artykule pod tytułem: „Adhesion and morphology of mammalian cells on nanoporous and nonporous spherical carbon substrates”. Autorami artykułu są dr inż. Łukasz Osuchowski, dr Monika Dobrzyńska, mgr inż. Wiktoria Kasprzycka, mgr inż. Paulina Osuchowska, prof. dr hab. inż. Zygmunt Mierczyk, prof. dr hab. Elżbieta Trafny z Centrum Inżynierii Biomedycznej WAT oraz dr inż. Barbara Szczęśniak z Instytutu Chemii Wydziału Nowoczesnych Technologii i Chemii WAT.
Artykuł otrzymał 100 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 3.5.
Marcin Wrzos
grafika: Łukasz Osuchowski