Нанороботы превращают стволовые клетки в костные с помощью направленного давления

Схематическое описание принципа работы фототермически управляемых 3D микрогелей. Автор: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202506769

Впервые исследователям из Технического университета Мюнхена (TUM) удалось использовать нанороботов для стимуляции стволовых клеток с такой точностью, что они надежно превращаются в костные клетки. Для этого роботы оказывают внешнее давление на определенные точки клеточной стенки. Новый метод открывает возможности для более быстрого лечения в будущем.

Нанороботы профессора Берны Озкале Эдельманн состоят из крошечных золотых стержней и пластиковых цепочек. Несколько миллионов из них содержатся в гелевой подушке размером всего 60 микрометров вместе с несколькими человеческими стволовыми клетками. Приводимые в действие и управляемые лазерным светом, роботы, которые выглядят как крошечные шарики, механически стимулируют клетки, оказывая давление.

«Мы локально нагреваем гель и с помощью нашей системы точно определяем силы, с которыми нанороботы давят на клетку — тем самым стимулируя её», — объясняет профессор нано- и микроробототехники в TUM. Эта механическая стимуляция запускает биохимические процессы в клетке. Ионные каналы меняют свои свойства, и активируются белки, включая один, особенно важный для формирования костей.

Исследование было опубликовано в Advanced Materials и Small Science.

Клетки сердца и хряща: поиск правильного паттерна стресса

Если стимуляция проводится в правильном ритме и с правильной (низкой) силой, стволовая клетка может быть надежно спровоцирована на развитие в костную клетку в течение трех дней. Этот процесс может быть завершен в течение трех недель.

«Соответствующий паттерн стресса можно найти и для хрящевых и сердечных клеток», — говорит профессор Озкале Эдельманн. «Это почти как в спортзале: мы тренируем клетки для конкретной области применения. Теперь нам просто нужно выяснить, какой паттерн стресса подходит для каждого типа клеток», — говорит руководитель лаборатории микробиотической биоинженерии в TUM.

Механические силы прокладывают путь к превращению в костные клетки

Исследовательская группа производит костные клетки, используя мезенхимальные стволовые клетки. Эти клетки считаются «ремонтными клетками» организма. Их размер составляет примерно от 10 до 20 микрометров, и они в целом способны развиваться, например, в костные, хрящевые или мышечные клетки. Проблема в том, что превращение в дифференцированные клетки является сложным и до сих пор с трудом поддавалось контролю.

«Мы разработали технологию, которая позволяет очень точно прикладывать силы к клетке в трехмерной среде», — говорит профессор Озкале Эдельманн. «Это представляет собой беспрецедентный прогресс в этой области». Исследователи полагают, что этот метод можно даже использовать для получения хрящевых и сердечных клеток из человеческих стволовых клеток.

Для лечения врачам в конечном итоге потребуется гораздо больше дифференцированных клеток — около 1 миллиона. «Вот почему следующий шаг — автоматизировать наш производственный процесс, чтобы мы могли производить больше клеток быстрее», — говорит профессор Озкале Эдельманн.

Дополнительная информация: Chen Wang et al, Photothermally Powered 3D Microgels Mechanically Regulate Mesenchymal Stem Cells Under Anisotropic Force, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202506769
Nergishan İyisan et al, Hydrostatic Pressure Induces Osteogenic Differentiation of Single Stem Cells in 3D Viscoelastic Microgels, Small Science (2025). DOI: 10.1002/smsc.202500287

Источник: Technical University Munich