Введение
Детали, недоступные для оптических микроскопов
Ультраструктура (или ультраструктура) – это архитектура клеток и биоматериалов, видимая при более высоких увеличениях, чем в стандартном оптическом световом микроскопе. Традиционно под этим понимался диапазон разрешения и увеличения, обеспечиваемый обычным просвечивающим электронным микроскопом (ПЭМ) при изучении биологических образцов, таких как клетки, ткани или органы. Ультраструктуру также можно исследовать с помощью сканирующей электронной микроскопии и микроскопии сверхвысокого разрешения, хотя ПЭМ является стандартной гистологической методикой для изучения ультраструктуры. Такие клеточные структуры, как органеллы, обеспечивающие нормальное функционирование клетки в ее специфической среде, могут быть изучены на ультраструктурном уровне. Ультраструктура, наряду с молекулярной филогенетикой, представляет собой надежный филогенетический метод классификации организмов. Характеристики ультраструктуры используются в промышленности для контроля свойств материалов и повышения их биосовместимости.
История
В 1931 году немецкие инженеры Макс Нолл и Эрнст Руска изобрели первый электронный микроскоп. С разработкой и изобретением этого микроскопа значительно расширился диапазон наблюдаемых структур, которые можно было исследовать и анализировать, и биологи стали проявлять все больший интерес к субмикроскопической организации клеток. Эта новая область исследований была посвящена изучению подструктуры, также известной как ультраструктура.
Биология
Общая ультраструктурная особенность, встречающаяся в растительных клетках, – это формирование кристаллов оксалата кальция. Существует теория, что эти кристаллы служат для хранения кальция внутри клетки до момента, когда он потребуется для роста или развития. Кристаллы оксалата кальция также могут образовываться у животных, а камни в почках являются одной из форм этих ультраструктурных образований. Теоретически, нанобактерии можно использовать для снижения образования кристаллов оксалата кальция в почках.
Инженерная
Контроль ультраструктуры имеет инженерное применение для управления поведением клеток. Клетки легко реагируют на изменения во внеклеточной матрице (ЭКМ), поэтому создание материалов, имитирующих ЭКМ, позволяет усилить контроль над клеточным циклом и экспрессией белков. Многие клетки, такие как растительные, производят кристаллы оксалата кальция, которые обычно рассматриваются как ультраструктурные компоненты растительных клеток. Оксалат кальция – это материал, используемый для производства керамических глазурей [6], и он также обладает свойствами биоматериала. При культивировании клеток и тканевой инженерии этот кристалл содержится в фетальной бычьей сыворотке и является важным компонентом внеклеточного матрикса для культивирования клеток. Ультраструктура – важный фактор, который необходимо учитывать при разработке зубных имплантатов. Поскольку эти устройства непосредственно контактируют с костью, их интеграция с окружающей тканью необходима для оптимальной функциональности. Было установлено, что приложение нагрузки к заживающему зубному имплантату способствует усилению остеоинтеграции с лицевыми костями. Анализ ультраструктуры вокруг имплантата полезен для определения его биосовместимости и реакции организма на него. Одно исследование показало, что имплантация гранул биоматериала, полученного из свиной кости, приводит к включению материала в ультраструктуру организма человека и формированию новой костной ткани. Гидроксиапатит – это биоматериал, используемый для непосредственного соединения медицинских устройств с костью посредством ультраструктуры. Трансплантаты могут быть созданы с использованием β-трикальцийфосфата, и наблюдалось, что окружающая костная ткань включает новый материал в свою внеклеточную матрицу. Гидроксиапатит – высоко биосовместимый материал, и его ультраструктурные особенности, такие как кристаллическая ориентация, могут быть тщательно контролируемы для обеспечения оптимальной биосовместимости. Правильная ориентация кристаллических волокон может сделать введенные минералы, такие как гидроксиапатит, более похожими на биологические материалы, которые они призваны заменить. Контроль ультраструктурных особенностей позволяет получать определенные свойства материала.