Биоинженерия биомиметических человеческих мелких мышечных легочных артерий
В развитии легочной гипертензии структурные и функциональные изменения в мелких мышечных артериях играют значительную роль. Биоинженеры стремятся создать продвинутые анатомически биомиметические in vitro модели микрососудов, поскольку сосуды нечеловеческих организмов неточно воспроизводят архитектуру и микроокружение человеческой микрососудистой сети.
В новом отчете в Science Advances Цяньру Цзинь и междисциплинарная исследовательская группа из Университета Джонса Хопкинса (США) описала новый метод параллельного биофабрикации фотоструктурированных, самосворачивающихся и биомиметических легочных артериальных микрососудов регулируемого размера и архитектуры.
Микрососуды обладали анатомически точными характеристиками: слоистостью и паттернированием ориентированных человеческих гладкомышечных клеток, внеклеточного матрикса и эндотелиальных клеток. Конструкции демонстрировали значительно увеличенную долговечность эндотелиальных клеток и выработку оксида азота (NO). Ученые использовали вычислительную обработку изображений для получения высокодетальных 2D-симуляций клеток и белков. Новая работа предоставляет полную модель для биоинженерии многоклеточных тканей на основе точного трехмерного (3D) пространственного позиционирования. Новая биомиметическая платформа позволит исследовать микрососудистую патофизиологию при человеческих заболеваниях.
Биоинженерия биомиметической человеческой мелкой мышечной легочной артерии (hSMPA)
Команда объединила ключевые особенности hSMPA: диаметр от 50 до 300 мкм, конфлюэнтную интимальную выстилку из эндотелиальных клеток (EC) и ориентированную популяцию гладкомышечных клеток сосудов (VSMC). Они создали самосворачивающуюся двухслойную пленку SiO/SiO2 на уровне пластины, используя фотолитографию, физическое осаждение из паровой фазы и паттернирование белков. Диоксид кремния (SiO2) поддавался модификации поверхности, что позволило нанести паттерны матриксных белков на люминальную поверхность трубчатых конструкций. В качестве подложки под двухслойной структурой SiO/SiO2 использовался германий (Ge), что позволило избежать применения агрессивных химикатов при сборке легочной артерии.
Механические соображения для трубчатых конструкций и характеристика клеточного покрытия
Исследователи разработали механическую модель, включив в нее модуль упругости (отношение напряжения к деформации), толщину подложки и радиус кривизны для изучения жесткости клеток сосудистой стенки, контактирующих с конструкциями. Модули упругости SiO и SiO2 превышали таковой у нативной стенки легочной артерии на шесть порядков. Используя метод конечных элементов, команда проверила теоретический закон масштабирования. На основе масштабного анализа трубчатые конструкции SiO/SiO2 аппроксимировали микромеханику стенки hSMPA, а их жесткость на изгиб в итоге соответствовала нативному состоянию.
Через 48 часов после посева человеческих легочных микрососудистых эндотелиальных клеток (HPMECs) на конструкции наблюдался конфлюэнтный монослой клеток на люминальной поверхности биомиметического микрососуда.
Совместное культивирование HPMECs и человеческих гладкомышечных клеток легочной артерии (HPASMCs)
Чтобы воспроизвести структуру и состав hSMPA, команда посеяла HPASMCs на двухслойный материал, а затем нанесла ламинин — основной компонент внутренней эластической пластинки. Было получено четкое и анатомически правильное послойное расположение двух типов клеток с высоким разрешением в 3D.
VSMC в медиальном слое hSMPA обычно ориентированы циркулярно. Для воспроизведения этого выравнивания Цзинь и коллеги использовали литографию и нанесли паттерн фибронектина на пленки до их высвобождения и сворачивания в микрососуды. При культивировании HPASMCs на этих поверхностях клетки продемонстрировали высокую точность и анатомически правильную ориентацию.
Улучшенная долговечность клеток и сигналинг в биомиметических легочных артериях
Совместно культивируемые в биомиметических hSMPA эндотелиальные клетки (HPMECs) и гладкомышечные клетки (HPASMCs) показали существенную долговечность. HPMECS также продемонстрировали значительную выработку оксида азота внутри биомиметических сосудов, которая за 48 часов увеличилась в четыре раза по сравнению с контрольными клетками, выращенными на плоских пленках SiO/SiO2.
Таким образом, команда разработала массово производимые, самоскладывающиеся настраиваемые конструкции, которые позволяют точно формировать многоклеточные слои для повышения жизнеспособности и функциональности человеческих легочных сосудистых клеток in vitro. Работа представляет собой первый интегрированный подход для паттернирования, генерации, визуализации и анализа микроориентированных и слоистых клеточных и тканевых функций внутри биомиметических легочных артерий. Это важный шаг к созданию in vitro платформы для изучения биологии сосудистой стенки в анатомически точной, специфичной для человеческой ткани среде.