Скорость движения молекул определяет связывание клеточных мембран с биоматериалами

Схематическое представление двух типов анкеровки в присутствии динамических лигандов на супрамолекулярном полимере и динамических рецепторов на SLB. Автор: Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2500686122

Международная исследовательская группа под руководством химика профессора Шикхи Димана из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга обнаружила, что при связывании модельных клеточных мембран с биоматериалами решающую роль играет не сила связывания, а скорость движения рецепторов в мембранах.

Многие надежды возлагались на так называемую тканевую инженерию. С помощью стволовых клеток можно было бы выращивать кожу и другие органы, что позволило бы улучшить заживление ран и трансплантацию. Хотя часть этого уже является реальностью, ожидаемого 20 лет назад уровня пока не достигнуто, потому что стволовые клетки не всегда связываются с необходимым материалом-носителем так, как должны были бы в теории.

«Понимание этого взаимодействия, которое мы теперь получили, имеет решающее значение для разработки эффективных биоматериалов», — говорит Диман.

Чтобы искусственно выращивать биологические ткани в лаборатории, биотехнологи обычно помещают стволовые клетки на матричные материалы, обычно гели. Эти гели диктуют, как клетки должны вести себя и развиваться. Однако для успеха клетки должны связываться с матричными материалами.

Долгое время предполагалось, что будет достаточно добавить в гель молекулы, которые достаточно сильно связываются с рецепторами в клетках — эти молекулы называются лигандами. Но это оказалось заблуждением. В теории это должно работать, но на практике часто не работает.

Исследователи обнаружили, что способность модельной клеточной мембраны связываться с волокном зависит в первую очередь от скорости, с которой молекулы-партнеры движутся в модельной клеточной мембране или в волокне.

«Даже самая слабая связь может привести к взаимодействию между молекулами, если их скорости схожи», — говорит Диман.

Если скорости лигандов в волокне и рецепторов в модельной клеточной мембране совпадают, они могут найти друг друга и соединиться. Однако если один из партнеров движется быстро, а другой медленно или вообще не движется, клетки не будут связываться с гелем.

Для своих исследований команда использовала микроскопию сверхвысокого разрешения, которая позволяет визуализировать отдельные рецепторы и лиганды. Учёные работали с отдельными волокнами вместо объёмного геля, что было важно для чёткого понимания взаимодействий.

Результаты могут иметь революционное значение для тканевой инженерии, а также для других медицинских применений, таких как иммунотерапия или доставка лекарств.

«В долгосрочной перспективе эти знания могут привести к прорывам в восстановлении тканей и регенеративной медицине, а также к созданию передовых медицинских имплантатов, которые работают в гармонии с клетками организма», — говорит Диман.

Больше информации: Shikha Dhiman et al, Reciprocity in dynamics of supramolecular biosystems for the clustering of ligands and receptors, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2500686122