Поиск неинвазивных дистанционных способов модуляции клеточной активности является актуальным направлением в различных областях биомедицины. В частности, управление направленной дифференцировкой и трансдифференцировкой стволовых клеток представляет несомненный интерес для регенеративной медицины. Одним из подходов для модуляции активности клеток является фототермическое воздействие, которое уже нашло применение в клеточной терапии и тканевой инженерии [1]. Фототермические скаффолды представляют собой объемные конструкции либо поверхности, модифицированные компонентами, способными поглощать свет с соответствующей длиной волны, преобразуя световую энергию в тепло. Такие материалы хорошо зарекомендовали себя в области гипертермической абляции опухолевых клеток и контролируемой доставки экзогенных биоактивных молекул. В то же время еще одним перспективным направлением является разработка комплексных подходов нанотопологической (обусловленной ультраструктурой поверхности) и фототермической стимуляции клеточной активности [2]. В данном сообщении представлены результаты работы по разработке композитных фототермических скаффолдов из ориентированных в одном направлении полиамидных нановолокон, близких по диаметру к компонентам внеклеточного матрикса (~100 нм). Для реализации фототермического воздействия волокна покрывали пленкой свет-конвертирующего биополимера полидофамина (ПД). Технология получения покрытия позволяет варьировать плотность нанесения ПД на волокна. Используя для модификации волокна с разным диаметром нами были получены композитные материалы с различной архитектурой и разной толщиной полидофаминового (ПД) покрытия. Величина нагрева подложек при облучении зависела от плотности ПД покрытия и достигала 79℃ при облучении ближним ИК излучением с длиной волны 808 нм и интенсивностью 3 Вт/см2 на воздухе. Эффективность фотоконверсии волокнистых материалов, функционализирвоанных ПД, оказалась значительно выше, чем при использовании для покрытия подложки термоплазмонных наночастиц сульфида меди [2]. Полученные скаффолды не имели цитотоксического эффекта при культивировании клеток нейробластомы человека SH-SY5Y, выбранной в качестве модельного объекта для исследования нейрогенности материала и его способности воздействовать на процесс дифференцировки клеток. Культивирование на поверхности композитных нановолокон инициировало направленный рост отростков клеток в отсутствие дифференцирующих факторов. Изменение внутриклеточной температуры, определенное методом флуоресцентной термометрии, составило 15,6土2,3℃ при облучении с интенсивностью 3 Вт/см2 в течение 5 мин. Ранее было показано, что внутриклеточный нагрев в данном диапазоне оказывает стимулирующее воздействие на дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток [3]. Также мы показали, что фототермический нагрев ПД-модифицированных скаффолдов инициирует высвобождение ионов кальция, а следовательно позволяет дистанционно осуществлять нейромодуляцию. Полученные результаты указывают на возможность осуществления комплексного стимулирующего воздействие фототермического нагрева и архитектуры подложки на рост, пролиферацию и дифференцировку клеток.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-25-00519, https://rscf.ru/project/23-25-00519/

1. Yangcui Qu et al. Photothermal scaffolds/surfaces for regulation of cell behaviors. Bioactive Materials, 2022, 8, pp. 449-477.

2. Antonova OY, Kochetkova OY, Kanev IL. Light-to-Heat Converting ECM-Mimetic Nanofiber Scaffolds for Neuronal Differentiation and Neurite Outgrowth Guidance. Nanomaterials (Basel), 2022, 12(13), p. 2166.

3. Xiao Y et al. Ultrasmall CuS@BSA nanoparticles with mild photothermal conversion synergistically induce MSCs-differentiated fibroblast and improve skin regeneration. Theranostics, 2020, 10(4), pp. 1500-1513.

The search for non-invasive remote methods for modulating cellular activity is an important trend in various fields of biomedicine. In particular, the control of directed differentiation and transdifferentiation of stem cells is of undoubted interest for regenerative medicine. One of the approaches to modulate cell activity is photothermal treatment, which has already found application in cell therapy and tissue engineering [1]. Photothermal scaffolds are three-dimensional structures or surfaces modified with components capable of absorbing light with the appropriate wavelength, converting light energy into heat. Such materials have proven themselves in the field of hyperthermic ablation of tumor cells and controlled delivery of exogenous bioactive molecules. At the same time, another promising direction is the development of integrated approaches to nanotopolog-mediated (the surface ultrastructure) and photothermal stimulation of cellular activity [2]. This report presents the results of the work on the development of composite photothermal scaffolds from aligned polyamide nanofibers, close in diameter to the components of the extracellular matrix (~100 nm). The fibers were coated with a film of light-converting polydopamine (PD) biopolymer to implement the photothermal effect. The coating technology allows us to vary the density of applying PD to the fibers. Using fibers with different diameters for modification, we obtained composite materials with different architecture and different thicknesses of the PD coating. The intensity of heating of the substrates during irradiation depended on the PD coating density and reached 79℃ when irradiated with near-IR radiation on air with a wavelength of 808 nm and an intensity of 3 W/cm2. The efficiency of photoconversion of PD-coated fibrous materials is significantly higher than when copper sulfide-based plasmonic nanoparticles were used to coat the fibers [2]. The PD-functionalized scaffolds did not demonstrate any cytotoxic effect when culturing human neuroblastoma SH-SY5Y cells, which was chosen as a model object for studying the neurogenicity of the material and its ability to influence the cell differentiation process. Cultivation on the surface of composite nanofibers initiated directed growth of neurites in the absence of differentiating factors. The change in intracellular temperature, measured by fluorescent thermometry, was 15.6土2.3℃ upon irradiation with an intensity of 3 W/cm2 for 5 min. Previously, it was shown that intracellular heating in this range has a stimulating effect on the differentiation of mesenchymal stem cells [3]. We also showed that photothermal heating of PD-coated scaffolds initiates the release of calcium ions, and therefore allows remote neuromodulation. The obtained results indicate the possibility of implementing a complex stimulating effect of photothermal heating and substrate architecture on cell growth, proliferation, and differentiation.



The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 23-25-00519, https://rscf.ru/project/23-25-00519/



1. Yangcui Qu et al. Photothermal scaffolds/surfaces for regulation of cell behaviors. Bioactive Materials, 2022, 8, pp. 449-477.

2. Antonova OY, Kochetkova OY, Kanev IL. Light-to-Heat Converting ECM-Mimetic Nanofiber Scaffolds for Neuronal Differentiation and Neurite Outgrowth Guidance. Nanomaterials (Basel), 2022, 12(13), p. 2166.

3. Xiao Y et al. Ultrasmall CuS@BSA nanoparticles with mild photothermal conversion synergistically induce MSCs-differentiated fibroblast and improve skin regeneration. Theranostics, 2020, 10(4), pp. 1500-1513.