Среди всех опухолей головного мозга мультиформная глиобластома является наиболее распространенной среди взрослых, а также наиболее агрессивной. Стандартное лечение глиобластомы фокусируется только на опухолевых клетках, игнорируя их внеклеточный матрикс (ВКМ). Однако было доказано, что ключевую роль в развитии и прогрессировании опухоли играют не сами опухолевые клетки, а внеклеточный матрикс и ниша опухолевых стволовых клеток, которую он образует.

Использование материалов, которые имитируют физико-химические свойства нормального ВКМ и создают микроокружение для клеток в резекционной полости после удаления опухоли головного мозга, может значительно улучшить прогноз. Требуемый матриксный материал должен максимально имитировать биомеханические свойства нативной ткани.

Перспективным применением гидрогелей является использование их в качестве имплантируемого матриксного материала в регенеративной медицине и трансплантологии для ремоделирования структуры ткани, доставки клеток или лекарств в мозг.

Углеводные полимеры играют очень важную роль в ВКМ нервной ткани, формируя уникальное микроокружение, препятствующее активной пролиферации и миграции нервных клеток взрослой нервной системы.

Нами разработан набор гидрогелей на основе пектинов с различным содержанием свободных карбоксильных групп. Все гидрогели биосовместимы и при подкожной имплантации не вызывают значимого иммунного ответа. Скорость биодеградации зависит от степени этерификации пектина. Модули упругости гидрогелей находятся в диапазоне от 100 до 1100 Па в зависимости от степени этерификации, что соответствует вязкоупругим свойствам нормального мозга человека. Все гидрогели, используемые в качестве матриц для культивирования клеток, поддерживают высокую жизнеспособность нервных стволовых клеток (НСК), клеток глиомы С6 и нейробластомы N2a, снижают скорость пролиферации, защищают НСК от дифференцировки и сохраняют нейросферы, морфология которых зависят от степени этерификации пектина. Молекулярные механизмы воздействия биоматериала на клетки, включают подавление сигнального пути MAPK/ERK. Трансриптомный анализ выявил изменения в путях регуляции клеточного цикла, поддерживающие высокие уровни экспрессии нескольких компонентов, необходимых для сохранение способности к пролиферации, в то время как обнаруженная высокая экспрессия ингибирующих факторов может быть ответственна за замедление пролиферации НСК и поддержание стволовости клеток, культивируемых на пектиновых гидрогелях.

Работа выполнена при поддержке проекта Государственного задания Минобрнауки России FZNS-2023-0017.

Glioblastoma multiforme is the most common among adults, and also the most aggressive, of all brain tumors. Standard treatment for glioblastoma focuses only on tumor cells, ignoring their extracellular matrix (ECM). However, it has been proven that the key role in the development and progression of a tumor is played not by the tumor cells themselves, but by the extracellular matrix and the niche of tumor stem cells that it forms.

The use of materials that mimic the physicochemical properties of normal ECM and create a microenvironment for cells in the resection cavity after removal of a brain tumor can significantly improve prognosis. The required matrix material should imitate as much as possible the biomechanical properties of native tissue.

A promising application of hydrogels is their use as an implantable matrix material in regenerative medicine and transplantation for tissue structure remodeling and delivery of cells or drugs to the brain.

Carbohydrate polymers play a very important role in the ECM of the nervous tissue, forming a unique microenvironment that prevents the active proliferation and migration of nerve cells in the adult nervous system.

We have developed a set of hydrogels based on pectins with different contents of free carboxyl groups. All hydrogels are biocompatible and do not cause a significant immune response when implanted subcutaneously. The rate of biodegradation depends on the degree of esterification of pectin. The elastic moduli of hydrogels range from 100 to 1100 Pa depending on the degree of esterification, which corresponds to the viscoelastic properties of a normal human brain. All hydrogels used as matrices for cell culture maintain high viability of neural stem cells (NSCs), C6 glioma cells, and N2a neuroblastoma cells, reduce the proliferation rate, protect NSCs from differentiation, and preserve neurospheres whose morphology depends on the degree of pectin esterification. Molecular mechanisms of the action of the biomaterial on cells include suppression of the MAPK/ERK signaling pathway. Transcriptom analysis revealed changes in the cell cycle regulation pathways that maintain high levels of expression of several components necessary for maintaining the ability to proliferate, while the detected high expression of inhibitory factors may be responsible for slowing down the proliferation of NSCs and maintaining the stemness of cells cultured on pectin hydrogels.

The work was supported by the project of the State Order of the Ministry of Education and Science of Russia FZNS-2023-0017.