Использование созданных в лаборатории тканей для исцеления или замены поврежденных органов – одно из великих видений будущего медицины. Синтетические материалы могут быть подходящими в качестве основы для тканей, потому что, в отличие от натуральных тканей, они остаются стабильными в организме достаточно долго, чтобы тело могло образовывать новые естественные структуры. Основным требованием к функциональной ткани является то, что кровеносные сосуды должны иметь возможность расти в них и соединяться с сосудистой системой организма, чтобы ткань должным образом снабжалась кислородом и питательными веществами. Однако до сих пор почти ничего не было известно о том, какие свойства материала способствуют росту кровеносных сосудов. Команда, возглавляемая биомедицинским инженером доктором. Бритта Траппманн из Института молекулярной биомедицины Макса Планка в Мюнстере, Германия, разработала систему культивирования клеток, в которой впервые функциональная система кровеносных сосудов может расти в каркасе из синтетических материалов.
Ученые, работающие в специальном гидрогеле со свойствами, которые они могут изменять контролируемым образом, сначала вырастили родительский кровеносный сосуд из клеток, выстилающих кровеносные сосуды человека. Затем они исследовали, как свойства материала искусственной клеточной среды влияют на формирование дополнительных кровеносных сосудов, и отрегулировали их.
Обобщая основные выводы, Бритта Траппманн говорит:, "Синтетический тканевый материал должен активировать определенные молекулы адгезии в мембране клеток кровеносных сосудов, чтобы клетки мигрировали группами из родительского сосуда и образовывали трубчатые структуры.В то же время материал должен быть достаточно разлагаемым, чтобы клетки могли образовывать кровеносные сосуды подходящего размера." Чтобы имитировать естественное окружение клеток, многие дополнительные биомолекулы и клетки должны быть интегрированы в модельную систему на более поздних этапах – это могут быть сигнальные белки, иммунные клетки или клетки для стабилизации кровеносных сосудов. "Более того, действие всех этих факторов связано в естественных тканях и варьируется от органа к органу," Бритта Траппманн объясняет. Понимание всего этого, по ее словам, является долгосрочной целью, но в конечном итоге эти знания могут быть использованы для выращивания имплантируемых тканей.
Трехмерный тканевый каркас из гидрогеля
В этом исследовании исследователи усовершенствовали модельную систему, которую Бритта Траппманн разработала с коллегами во время ее работы в качестве постдока в США.S. в университетах Бостона и Гарварда. Он состоит из трехмерного гидрогеля на основе сахара, в котором ученые проделывают два канала с помощью иглы для акупунктуры. Каждый канал имеет диаметр 400 микрометров, и они проходят параллельно друг другу на расстоянии примерно одного миллиметра. В одном канале ученые засевают эндотелиальные клетки, выстилающие кровеносные сосуды в естественных тканях. "Эндотелиальные клетки образуют контакты друг с другом и прикрепляются к своей синтетической тканевой среде в канале, таким образом, примерно через сутки образуя родительский кровеносный сосуд," объясняет Бритта Траппманн. Когда это произошло, ученые доставляют коктейль факторов роста из молекул, которые стимулируют рост кровеносных сосудов в естественных тканях через второй канал, после чего эндотелиальные клетки мигрируют в гидрогель.
Затем ученые хотели выяснить, какие свойства гидрогеля определяют, действительно ли мигрирующие эндотелиальные клетки формируют новые кровеносные сосуды. Они исследовали роль, которую играет активация так называемых молекул адгезии в клеточной мембране, через которые клетки прикрепляются к окружающей среде. Сначала исследователи обогатили каркас ткани гидрогеля различным количеством пептидов, которые активируют определенный тип молекулы адгезии, обнаруженный в мембране эндотелиальных клеток, называемых интегринами.
Интегрины для миграции
Чем выше концентрация пептидов, тем больше эндотелиальных клеток вместе мигрировали через гидрогель. Напротив, когда ученые заблокировали функцию интегрина, они заметили, что клетки мигрировали только индивидуально. На следующем этапе команда исследовала этот процесс, рассматривая два конкретных подтипа интегрина. "Мы обнаружили, что интегрин αvβ3 является важной молекулой адгезии, которая должна быть активирована для того, чтобы эндотелиальные клетки могли мигрировать группами," Бритта Траппманн говорит. Ученые также показали, что коллективная миграция клеток, в свою очередь, является предпосылкой для образования эндотелиальных клеток полостей, связанных с родительским сосудом на следующем этапе.
Хотя клетки кровеносных сосудов затем образовывали трубчатые структуры, они были меньше, чем в естественных тканях. Ученые предположили, что это может быть связано с тем, что синтетический гидрогель менее разлагается, чем натуральная ткань, и имеет меньшие поры, через которые клетки могут проскользнуть. Поскольку гидрогель состоит из цепей молекул сахара, сшитых определенными молекулами, решение ученых заключалось в том, чтобы обменять эти молекулы сшивающего агента, чтобы клетки могли быстрее расщеплять гидрогель, используя выделяемые ими ферменты. Это позволило клеткам быстрее мигрировать и образовывать более крупные сосудистые структуры.