Найден способ выращивания искусственных кровеносных сосудов с помощью магнитов

Фото из открытых источников

Хотя научные достижения могут в будущем позволить заменять больные и травмированные участки тела искусственными имплантами, выращивание органов и тканей в лабораторных условиях остается крайне сложной задачей. 

Особенно это касается создания разветвленных сосудистых сетей, поскольку на уровне микроскопических капилляров их структура становится невообразимо тонкой. Эти капилляры могут иметь диаметр всего 0,005 миллиметра — что в 34 раза меньше толщины человеческого волоса — и пропускать эритроциты исключительно по одному.

Ученые из Массачусетского технологического института опубликовали в журнале PNAS исследование, в котором подробно описывается способ создания кровеносных сосудов в лабораторных условиях со значительно большей точностью, чем раньше.

Правильное формирование кровеносных сосудов (и, следовательно, кровотока) имеет решающее значение для успеха любого выращенного в лаборатории органа или ткани, поскольку тонкие капилляры обеспечивают кровоснабжение ткани, доставляя кислород и питательные вещества.

Новый подход основан на использовании магнитных сил, которые мягко растягивают и притягивают клетки кровеносных сосудов, устанавливая их в нужное положение.

«Здоровые ткани зависят от организованных сетей кровеносных сосудов, но современные протоколы не позволяют создавать такие сети внутри искусственно созданных тканей», — говорит Риту Раман из Массачусетского технологического института. «Возможность программировать рост кровеносных сосудов с помощью физических сигналов может обеспечить воспроизводимое и масштабируемое создание искусственных тканей, которые можно имплантировать в организм для восстановления функций после тяжелых заболеваний или травм».

Система основана на небольшом чипе, содержащем эндотелиальные клетки (клетки, выстилающие кровеносные сосуды), выращенные в лаборатории и помещенные в гель коллагена — белка, являющегося одним из важнейших строительных блоков в организме.

Внутри чипа также был помещен крошечный магнит, который затем управлялся несколькими внешними магнитами в трех измерениях. Регулируя силу воздействия на магнит чипа, исследователи могли определить, как растут новые кровеносные сосуды.

Это адаптированная форма того же подхода, который исследователи ранее использовали для создания искусственных мышц и нервов.

Изменяя силу внешнего магнитного притяжения, исследователи также смогли контролировать длину и количество появляющихся новых сосудов. Мы все еще находимся на ранней, прототипной стадии, но первоначальные результаты многообещающие.

«Главный вывод таков: растяжение кровеносного сосуда вперед и назад, по-видимому, увеличивает количество образующихся новых капилляров», — говорит Раман.  «Механические силы играют важную роль в нашем организме. Это значит, что если мы хотим увеличить или уменьшить количество кровеносных сосудов, сделать их короче или длиннее, или направить их в определенном направлении, мы теперь знаем, как это сделать».

С технической точки зрения, образование новых кровеносных сосудов называется ангиогенезом, но предыдущие методы его искусственного воссоздания не обеспечивали достаточного контроля.

В настоящее время кровеносные сосуды можно печатать на 3D-принтере или выращивать из отдельных клеток в чашках Петри, заполненных питательными веществами и другими химическими соединениями, но ученые ищут способ, позволяющий добиться большей точности.

«Можно попытаться направлять химические сигналы, такие как факторы роста, чтобы определить, где будут расти сосуды, но сделать это с высокой точностью невозможно», — говорит Раман. «Таким образом, нам необходимы другие типы структурированных сигналов, которые помогут нам создавать ткани с организованной кровеносной системой».

Исследовательская группа также изучила лежащие в основе этого механизма. Они повторили свои эксперименты, используя клетки, генетически модифицированные для функционирования без гена PIEZO1.

Этот ген контролирует «клеточных привратников» — ионные каналы, отвечающие за то, что входит и выходит из клетки, в данном случае — определенный тип каналов, реагирующих на механическое давление. При выключенном гене PIEZO1 образовалось меньше кровеносных сосудов, что показывает, насколько важна активация ионных каналов.

Следующие шаги заключаются в том, чтобы проверить, насколько хорошо кровь фактически течет по артериям, венам и капиллярам, созданным с помощью чипа, а также к выращенным в лаборатории органам и тканям, окружающим структуру клеток крови, начиная с мышц.

«Сейчас мы изучаем, как точное регулирование роста кровеносных сосудов может помочь улучшить функцию мышц», — резюмирует Джессика Шах из Массачусетского технологического института.