Лабораторные кровеносные сосуды: значение механики

Биоразлагаемые трубки, которые после имплантации в тело человека превращаются в живые кровеносные сосуды. Кандидат наук в области биомедицинской инженерии Элин ван Хаафтен разработала биореактор, имитирующий кровообращение в организме, и выявила некоторые возможные причины отказа лабораторных сосудов. Её результаты могут быть использованы для улучшения их дизайна и ускорения клинического применения для пациентов с сердечно-сосудистыми и почечными заболеваниями. Защита диссертации состоится 1 октября в TU/e.

Лабораторные сосуды: дёшево и безопасно

Всё начинается с бесклеточного биоразлагаемого материала, сформированного в виде сосуда (скаффолда). После имплантации скаффолд может привлекать собственные клетки пациента и способствовать образованию новой сосудистой ткани. По мере отложения новой ткани скаффолд медленно исчезает, оставляя после себя полностью новый функциональный сосуд. Скаффолды разных диаметров и длин легко производить и хранить. Риск отторжения практически отсутствует.

Значение механики

После имплантации скаффолды должны быть адаптированы к механическим нагрузкам от кровотока и давления. Их пористую структуру мгновенно заселяют клетки иммунной системы, которые могут чувствовать и реагировать на эти нагрузки. Стабильность новой ткани зависит от этого ответа.

Специальный биореактор

Для понимания реакции клеток ван Хаафтен разработала биореактор, воссоздающий кровоток и давление. Она засеяла волокнистые скаффолды сосудистыми клетками и подвергла их в биореакторе нагрузкам от давления (растяжение), кровотока (сдвиговое напряжение) или их комбинации.

Было показано, что:

• Растяжение от давления замедляет деградацию структуры имплантированных сосудов и способствует отложению новой ткани.
• Сдвиговое напряжение на стенках синтетических сосудов ограничивает избыточное отложение ткани.

«Эти результаты подчёркивают важность баланса механических нагрузок. Нам нужно, чтобы синтетический сосуд деградировал, а живой формировался. Этого можно достичь, например, регулируя толщину имплантированных сосудов. Но также необходимо, чтобы клетки испытывали сдвиговое напряжение для ремоделирования новой ткани, что можно регулировать, например, диаметром сосуда и уровнем пористости», — объясняет ван Хаафтен.

За пределами сердечно-сосудистых заболеваний

Такие синтетические сосуды также можно использовать у пациентов на диализе из-за болезней почек. Однако они часто выходят из строя из-за патологического сужения диаметра (стеноза), вызванного избыточным ростом клеток.

Ван Хаафтен обнаружила, что аномальные колебания кровотока — возможно, возникающие при несовпадении диаметров имплантированного и родного сосуда — могут активировать этот патологический процесс.

Эти результаты могут быть использованы для улучшения дизайна лабораторных сосудов и приблизить их безопасное применение.