Ученые создали дышащий альвеолярный барьер в пробирке
Исследователи из Чжэцзянского университета успешно создали биомиметические альвеолы вне человеческого тела, способные воспроизводить процесс дыхания.
Основными проблемами при создании альвеолярных моделей in vitro оставались симуляция разнообразных деформаций альвеол и создание подходящего воздушно-жидкостного интерфейса.
Вдохновившись искусством вырезания из бумаги, группа разработала новую биомиметическую управляемую мембрану (BCSM) для имитации базальной мембраны альвеол. Это позволило создать воздушно-гематический барьер и биомиметическое дыхание для изучения клеточных механизмов и скрининга лекарств.
Исследование, опубликованное в International Journal of Extreme Manufacturing (IJEM), детализирует методологию создания структуры базальной мембраны альвеол и модели биомиметической легочной единицы. Модель позволяет симулировать как нормальные, так и патологические состояния дыхания человека и имеет большой потенциал для разработки новых лекарств, изучения развития альвеол и поиска мишеней для терапии болезней.
«Хронические респираторные заболевания входят в четверку самых распространенных хронических болезней в мире, поэтому разработка новых методов лечения заболеваний легких крайне важна. Однако процесс разработки новых препаратов сопряжен с высокими рисками, длительными сроками и существенными затратами. Ключевые вопросы — как снизить стоимость НИОКР, повысить успешность и разработать новые методы оценки лекарств», — говорит профессор Йонг Хе.
Альвеолярная микрофизиологическая система — это прорывной научный инструмент, воспроизводящий in vitro структуру основной дыхательной единицы тела — альвеол.
«Эта система предоставляет модель, которая точнее отражает физиологию человека и, как ожидается, сократит разрыв между клиническими и животными моделями. Это позволит точнее симулировать биологические процессы в человеческом организме», — отмечает доктор Юаньронг Ли, первый автор статьи.
Альвеолы, состоящие в основном из альвеолярных эпителиальных клеток, базальной мембраны и капилляров, во время дыхания претерпевают различные изменения формы.
«Несмотря на значительный прогресс в создании альвеолярных микрофизиологических систем, по-прежнему существует дефицит подходящих биоматериалов для конструирования базальной мембраны и управления различными деформациями альвеол», — пояснил Ли.
Команда создала биомиметическую базальную мембрану, покрытую GelMA (метакрилированным желатином) на топологической сетке из поликапролактона (PCL). Сетка PCL имеет структуру из кругов и волн. При активации мембраны форма кругов остается постоянной.
Чем больше дуга волны, тем больше деформация растянутой волны и, следовательно, больше деформация гидрогеля рядом с волной. Изменяя волны разной кривизны, можно контролировать деформацию всей биомиметической базальной мембраны.
Путем оптимизации материалов команда выбрала концентрацию GelMA, соответствующую жесткости внеклеточного матрикса (ECM) альвеол. Лиганд Arg-Gly-Asp (RGD), содержащийся в GelMA, способствует адгезии клеток и создает более благоприятную альвеолярную микросреду. Кроме того, покрытие из GelMA позволяет культивировать клетки на границе раздела воздух-жидкость, имитируя воздушно-гематический барьер человека.
«Эта конструкция очень перспективна, поскольку ее можно использовать не только для симуляции альвеолярного дыхания, но и в других сценариях, где требуется контролировать локальную деформацию», — говорит Ли.
Эффективность композитного дизайна была подтверждена численным моделированием и клеточными экспериментами.
На завершающем этапе исследования команда использовала альвеолярную микрофизиологическую систему для имитации повреждения легких, вызванного искусственной вентиляцией легких (ИВЛ). Затем они применили комбинацию Лопинавир/Ритонавир, чтобы смягчить симптомы повреждения легких, индуцированного вентилятором.
Альвеолярные микрофизиологические системы представляют собой инновационное сочетание биологии, медицины и инженерии, способное преобразовать целый ряд научных дисциплин, включая фундаментальную биологию, физиологию, фармакологию, токсикологию и разработку лекарств. Уже достигнут значительный прогресс в создании биомиметических базальных мембран и биореакторов для таких систем.
«В перспективе усилия должны быть сосредоточены на создании инструментов, которые не только физиологически релевантны, но и удобны в использовании, воспроизводимы и экономически эффективны, чтобы принести ощутимую пользу научному сообществу», — заключил профессор Хе.