Исследование наноструктурной динамики протеогликанового каркаса нативных эпителиальных тканей в различных физиологических состояниях

Номер гранта:11-02-00706
Область научного знания:физика и астрономия
Тип конкурса: («а» (до 2016))(«а») инициативные научные проекты
Год выполнения:2011г.
Руководитель: Вазина А.А.
Статус заявки:поддержана

Аннотация к заявке:

Выяснение структурного механизма функциональной активности биологических систем является центральным вопросом современной биофизики. Несмотря на громадные успехи современной молекулярной и клеточной биологии, структурная биология живых тканей выпала из поля зрения исследователей прошлого века, не имевших в своем арсенале экспериментальных методов, пригодных для исследования структуры гетерогенных многокомпонентных ансамблей живых систем, функционирующих в разных временных режимах и для которых характерна высокая упорядоченность с периодами структуры в нанометровом диапазоне порядка 1-100 нм. Описание структурных особенностей биологических полимеров в наномасштабной шкале открывает принципиально новые возможности в структурных исследованиях живых систем. Концептуальная революция в области изучения наноструктурированных ансамблей обусловлена в свою очередь инструментальной революцией, связанной с развитием структурных методов на основе использования синхротронного излучения. Разработанные нами ранее методы скоростной малоугловой дифрактометрии с временным разрешением позволяют проводить неинвазивные исследования функциональной динамики непосредственно в живой ткани. Удобным индикатором элементного состава нативной ткани в различных физиологических состояниях могут служить также рентгенфлуоресцентные спектры. Данный Проект является пионерской работой по исследованию наноструктурной динамики уникального класса биополимеров - протеогликанов межклеточного матрикса эпителиальных тканей и слизистых секретов (муцинов), являющихся пластическим барьером, экранирующим организм от воздействия внешней среды. Ранее нами было обнаружено (грант РФФИ № 04-02-97260) наличие богатой малоугловой дифракционной картины, обусловленной наноструктурой протеогликанового каркаса тканей и слизей. Целью Проекта является построение наноразмерной топологической модели гигантской молекулы протеогликана. Будет проведено исследование специфической роли катионов металлов в структурной трансформации протеогликанового каркаса, вызывающей нарушение гомеостазиса ткани – уникальной устойчивости при изменении условий среды, особенно при минерализации тканей и онкологической патологии. Будет выяснена роль протеогликанового каркаса межклеточного матрикса в молекулярном механизме модификационной температурной адаптации биосистем. При интерпретации экспериментальных данных предполагается использовать теоретические представления, разработанные в статистической физике сетчатых полимеров, стабилизированных поперечными сшивками. Прикладной задачей Проекта планируется разработка методик на основе использования протеогликановых систем ткани волос для нанодетекции и диагностики инородных наноразмерных включений, попадающих в ткани организма в результате антропогенного загрязнения окружающей среды искусственными наноконструкциями, включая современные санитарно-гигиенические, косметические и лекарственные средства. Экспериментальные дифракционные и спектральные характеристики ткани в различных функциональных состояниях будут представлены в качестве маркеров экологического и онкологического риска. В работе предполагается использовать синхротронное излучение накопителей: «Сибирь-2» (РНЦ «Курчатовский Институт», Москва), ВЭПП-3 (ИЯФ СО РАН, Новосибирск) и ESRF (Гренобль, Франция). Образцы онко-трансформированных эпителиальных тканей дыхательных путей и молочной железы на разных стадиях развития патологического процесса будут получены при биопсии, операции и аутопсии (РОНЦ им. Н.Н. Блохина, Москва).

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

Проведена модернизация аппаратурного оснащения малоугловой станции ДИКСИ, созданной на канале накопителя «Сибирь-2» (НИЦ «Курчатовский институт»). Для исследования наноструктурной динамики протеогликанового каркаса нативных эпителиальных тканей в различных физиологических состояниях разработан специализированный узел образца, являющийся комплексом технических устройств, снабженных различными контрольно-измерительными датчиками, отслеживающими физическое, биохимическое и физиологическое состояние объекта. Методом рентгеновской дифракции с использованием синхротронного излучения проведены исследования динамики протеогликановых фибриллярных структур – класса биополимеров, которые формируют слизь, а также в ансамбле с фибриллярными структурами коллагена и его ко-белков, формируют каркас межклеточного матрикса биологических тканей. Исследованы образцы интактных и модифицированных эпителиальных тканей, желудочно-кишечных слизей млекопитающих и беспозвоночных (кальмара Dosidicus gigas), а также эпителиальных тканей шелковой гланды эндемического шелкопряда Antheraea mylitta в активном функциональном процессе продуцирования фиброина шелка. Экспериментально удалось показать два поразительных факта. Первое – наличие высокой упорядоченности протеогликановых систем, обусловленной регулярным прикреплением полисахаридных цепей к белковому кору с характерным периодом 4.65 нм. Второе – несмотря на большую вариабельность гликопротеинового состава слизей и межклеточного матрикса различных тканей, принцип структурной упорядоченности протеогликанов инвариантен для всех типов тканей и муцинов в широком эволюционном ряду – от млекопитающих до беспозвоночных и насекомых. Период 4.65 (+/- 0.15) нм является наноструктурным инвариантом гигантских протеогликановых молекул как слизей, так и межклеточного матрикса тканей. Показана роль катионов и хелатов в обратимой структурной трансформации протеогликановых систем. Методом рентгеновской флуоресценции показано, что в онкологически трансформированных тканях распределение некоторых элементов (Cl, S, Ca, Cu, Zn, Fe) носит мозаичный характер с размером неоднородностей до 0.5 мм, содержание этих элементов может изменяться на порядок и в основном коррелирует с изменениями дифракционных картин от этих образцов. Дифракционные и спектральные характеристики ткани могут использоваться в качестве маркеров физиологического состояния ткани. Начаты работы по исследованию воздействия метода высокочастотной электрохирургической сварки на биологические ткани. На модельных образцах определены тестовые режимы электросварки, при которых не выявлены существенные различия в картинах рентгеновской дифракции и спектрах рентгеновской флуоресценции после воздействия высокочастотной сварки. На основе экспериментальных и клинических данных показана возможность при регулируемом энергетическом воздействии ВЧ-электросварки на живую мягкую ткань сохранить ее жизнеспособность и как следствие в результате процессов регенерации восстанавливать ее свойства и функции.
Аннотации к заявке и отчету приведены в авторской редакции. по состоянию на 04.08.2020.
Помог ли вам материал?
0    0