В ИТМО разработали установку для сверхточных экспериментов с клетками

В портативной мини-лаборатории ИТМО появилась новая установка, которая сочетает два современных метода исследования вещества: атомно-силовую микроскопию и рамановскую спектроскопию. Прибор позволяет исследовать свойства материалов и клеток — его применение ускорит разработку биоматериалов и сделает микробиологические эксперименты более точными. Сейчас в мини-лаборатории уже выращивают клеточные культуры, создают базы данных на основе экспериментов и учатся разрабатывать ткани и органы.

Ученые ИТМО совместно с индустриальным партнером ООО «Активная фотоника» разработали установку, которая позволяет без участия человека с высокой точностью получать информацию о микробиологических и клеточных экспериментах. Прибор сочетает два метода получения информации о веществе: атомно-силовую микроскопию и рамановскую спектроскопию. Полученные в ходе экспериментов данные установка автоматически анализирует с помощью встроенного программного обеспечения.

Атомно-силовая микроскопия с помощью нанометровой иглы позволяет «ощупывать» поверхность материала и строить 3D-карту его рельефа. Рамановская спектроскопия определяет химический состав вещества по тому, как оно рассеивает лазерное излучение. Обычно для реализации этих методов используют два отдельных прибора — это дорого и занимает много времени. Сочетание двух этих методов в одной установке позволяет одновременно увидеть состав и форму вещества, увеличивает точность и качество получаемых данных и дает возможность гарантировать исследование в интересующей локальной зоне.

Устройство размещено в портативном химическом кубе для проведения экспериментов с клетками и бактериями — полностью автоматизированной мини-лаборатории, которую построили в ИТМО в 2023 году. Внутри есть роборука, которая заменяет лаборанта и позволяет автоматизировать часть экспериментов на установке — благодаря этому точность выполнения экспериментов повышается, в том числе из-за возможности многократно повторять их на автоматической установке.

Система работает следующим образом. Робот-манипулятор устанавливает планшетный ридер с образцами вещества (в данном случае — клеток или материалов) на подвижную платформу. С ее помощью планшет перемещается в зону сканирования: атомно-силовой микроскоп собирает информацию о топологии поверхности, а спектроскоп — данные о свойствах материала и его составе. Полученную информацию анализирует встроенное ПО, а затем ее получают ученые.

Над установкой работали ученые ИТМО совместно с компанией «Активная фотоника» — от их партнеров поступил запрос на разработку системы, которая объединяла бы два метода сканирования вещества. Это поможет ускорить разработку новых материалов, повысить воспроизводимость экспериментов и снизить вероятность ошибок при анализе данных.

«С помощью прибора можно измерять механические свойства клеточной мембраны (жесткость, эластичность и адгезию), проводить ее химический анализ, контролировать качество клеточных культур, изучать взаимодействия клеток с биоматериалами. Все это помогает изучать свойства материалов и особенности их моделирования, дает представление о том, как эти материалы взаимодействуют с биологическими системами. Эта информация полезна при разработке материалов для биологических применений: например, при создании биосовместимых покрытий на имплантатах, систем для доставки лекарств, выращивании тканей и органов», — рассказал главный разработчик проекта, научный сотрудник научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Алексей Мешков.

С установкой будут работать ученые ИТМО, а также студенты, занимающиеся роботизацией химических технологий, в том числе исследователи из Лаборатории по атомно-силовой микроскопии ИТМО. В портативной лаборатории уже ищут и изучают новые криопротекторы для поиска новых молекул, разрабатывают роботизированные платформы для наблюдения за ростом и метаболической активностью микроорганизмов в режиме реального времени, а также изучают влияние наноструктур в полимерных, гибридных и биоразлагаемых материалах на рост клеток Последнее поможет найти новые решения для регенеративной медицины. Например, в лаборатории учатся программировать поведение кардиомиоцитов (мышечных клеток сердца) с помощью биоразлагаемых полимерных изделий — в перспективе эти наработки можно масштабировать для создания полноценного искусственного сердца.