Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) разработали инновационную методологию, которая позволяет контролировать развитие кровеносных сосудов путем применения механических стимулов. Этот прогресс решает одну из самых больших проблем в тканевой инженерии: создание структурированных сосудистых систем, необходимых для питания синтетических органов и тканей.
Проблемы в тканевой инженерии
Исследователи стремятся культивировать живые ткани и органы из клеток с целью замены поврежденных или больных частей человеческого тела. Хотя они уже добились успеха в производстве различных искусственных тканей, таких как мышцы, печень, почки и кожа, отсутствовал надежный метод формирования сосудистых сетей с точными паттернами, включая ультратонкие капилляры. Без этой системы снабжения искусственные ткани не могут получать достаточно питательных веществ для правильной работы.
Контроль сосудов с помощью механического растяжения
Команда MIT продемонстрировала, что возможно планировать и направлять этот рост с использованием механического растяжения. Результаты были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Для проведения эксперимента ученые создали модель «сосуда на чипе», состоящую из центральной артерии, сделанной из человеческих эндотелиальных клеток. Эта структура была помещена в питательный гель, содержащий небольшой магнит.
Перемещая внешний магнит для смещения внутреннего магнита в геле, тем самым заставляя артерию колебаться вбок, исследователи наблюдали реакцию главной артерии на физический стимул. Тесты показали, что повторяющееся движение артерии индуцировало появление новых капилляров. Кроме того, изменяя направление растяжения, удалось направить рост этих сосудов, а изменение интенсивности растяжения позволило модулировать количество образовавшихся новых капилляров.
Научные последствия метода
Авторы считают эту технику новым подходом к проектированию искусственных кровеносных сосудов и программированию их паттернов развития. Риту Раман, доцент кафедры машиностроения MIT и основной соавтор, подчеркивает, что «здоровые ткани зависят от организованных сетей кровеносных сосудов, но самые передовые протоколы не позволяют создавать такие сети внутри искусственных тканей». Она добавляет, что способность программировать сосудистый рост с помощью физических стимулов может сделать возможным воспроизводимое и масштабируемое изготовление имплантируемых тканей для восстановления функций после тяжелых травм или заболеваний.
Ограничения традиционных методов
Исследователи подчеркивают, что кровеносные сосуды остаются одной из самых сложных структур для воспроизведения традиционными методами. Хотя 3D-принтеры могут создавать крупные артерии и вены, им не хватает точности, необходимой для построения сложных сетей очень тонких капилляров. Другой подход, культивирование клеток в чашках Петри, сталкивается с проблемой точного контроля над тем, где эти структуры будут появляться. Раман объясняет, что хотя можно использовать химические сигналы, такие как факторы роста, для направления роста, точность ограничена, что требует других стандартизированных стимулов.
Механизм клеточного ответа
Текущее исследование развилось из предыдущего протокола, использовавшегося для культивирования искусственных мышц и нервов, где механическое движение геля влияло на клеточный рост. В новом эксперименте чип размером меньше почтовой марки был заполнен питательным гелем и магнитом. В геле был создан полой канал, выстланный живыми эндотелиальными клетками. После того как клетки приняли форму канала, начали прорастать новые капилляры. Устройство было размещено под моторизованной платформой с подвешенными магнитами, направления и интенсивность которых варьировались для мониторинга сосудистого ответа.
Раман заключает, что растяжение сосуда из стороны в сторону увеличивает количество новых капилляров. Когда сосуд оставался неподвижным, появлялось мало случайных сосудов; при повторяющемся движении количество резко возрастало. Тесты также показали, что растяжение геля на 5% его ширины генерировало много новых сосудов, в то время как растяжение до 15% уменьшало количество, но увеличивало длину образовавшихся сосудов. Кроме того, новые сосуды следовали направлению растяжения при его изменении.
Роль гена PIEZO1
Ученые исследовали причину сосудистого ответа на механический стимул, сосредоточившись на гене PIEZO1. Вдохновившись лекцией молекулярного биолога Ардема Патапутиана, лауреата Нобелевской премии по физиологии или медицине 2021 года за открытие ионных каналов, чувствительных к механическому давлению (PIEZO1 и PIEZO2), исследователи выдвинули гипотезу о том, что механические упражнения активируют эти каналы, способствуя формированию новых сосудов.
Чтобы проверить эту теорию, они использовали генное редактирование для снижения активности гена PIEZO1 в эндотелиальных клетках. Результат подтвердил гипотезу: клетки с подавленным геном PIEZO1 производили значительно меньше кровеносных сосудов при том же механическом стимуле, что указывает на то, что рост сосудов зависит от активации этих ионных каналов.
Дальнейшие шаги исследования
Подтвердив контроль над количеством и направлением роста сосудов, команда планирует применить этот протокол для создания организованных сосудистых сетей, способных снабжать искусственные ткани и органы. Джессика Шах, соавтор, заявила, что они изучают, как точное направление этого роста может оптимизировать мышечную функцию. Исследование получило частичную финансовую поддержку от Программы для молодых ученых (Early Career Program) и Гранта PECASE от Исследовательского управления армии США, а также грант программы DURIP от этого же ведомства.
