Наноинженеры стремятся вырастить ткани с функциональными кровеносными сосудами

Наноинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего получили грант от Национальных институтов здоровья (NIH) на разработку инструментов для производства биоразлагаемых каркасов, вокруг которых будут расти ткани сердца, включая функциональные кровеносные сосуды. Разработка методов выращивания тканей, имитирующих тонкие детали природы, включая васкуляризацию, может привести к прорыву в создании замещающих сердечных тканей для людей, перенесших инфаркт. Работа также может привести к созданию лучших систем для выращивания и изучения клеток, включая стволовые, в лаборатории.

Профессор Шаочэнь Чэнь из Департамента наноинженерии UC San Diego является главным исследователем по четырёхлетнему гранту в размере $1.5 млн от NIH. Грант финансирует разработку производственной платформы, необходимой для создания этих биоразлагаемых каркасов или «скаффолдов».

«Мы создаём биоматериалы с наноструктурами внутри», — сказал Чэнь. «С научной точки зрения на молекулярном уровне открывается так много возможностей, и наноинженерия идеально для этого подходит. Мы ожидаем, что наша новая платформа для биофабрикации позволит получать ткани, которые гораздо ближе имитируют натуральные».

Одна из таких возможностей — придать новый уровень точности и функциональности скаффолдам, производимым «платформой для биофабрикации», которую Чэнь и его коллеги изобрели и совершенствуют в течение последних пяти лет.

Усовершенствованная платформа позволит инженерам создавать скаффолды с точно спроектированными системами нанопор и других микроархитектурных деталей, которые контролируют взаимодействие клеток друг с другом и с окружающей средой.

«Нужно спроектировать поры так, чтобы клетка могла получать питание и избавляться от отходов… пути для выживания клетки в системе», — пояснил Чэнь.

Исследователи также планируют создавать скаффолды с трубками, а затем засевать эти трубки клетками, выстилающими кровеносные сосуды — эндотелиальными клетками, — чтобы попытаться создать функционирующие сосудистые системы. Отсутствие кровеносных сосудов в большинстве систем регенерации тканей приводит к гибели клеток, потере функции и ограничивает максимальный размер регенерированных тканей.

Кроме того, химические свойства новых скаффолдов будут меняться сверху вниз, создавая химические градиенты, стимулирующие рост клеток.

Как и в предыдущих версиях системы Чэня, клетки будут инкапсулированы внутри стенок скаффолда.

«Обычно, когда исследователи выращивают ткань, они делают каркас, помещают в него клетки и дают им расти», — пояснил Чэнь. «Когда мы создаём наши скаффолды, клетки уже находятся внутри стенок». Инкапсуляция клеток внутри стенок способствует равномерному распределению клеток.

Скаффолды будут основаны на натуральных материалах, таких как гиалуроновая кислота — ключевой компонент «внеклеточного матрикса», который обеспечивает структурную поддержку, заживление ран и ряд других функций в тканях человека и животных.

«Гидрогели для наших скаффолдов не должны быть слишком мягкими, липкими или жёсткими. Они должны соответствовать потребностям биологической ткани», — сказал Чэнь.

Коллабораторы из Гарвардской медицинской школы будут выращивать и характеризовать ткани, начавшие рост на скаффолдах.

Проекционная биопечать

Для производства тканевых скаффолдов Чэнь и коллеги разработали и продолжают совершенствовать производственный процесс, использующий свет, точно управляемые зеркала и компьютерную проекционную систему. Сначала инженеры создают трёхмерную модель структуры для печати. Затем готовят раствор, содержащий как клетки, которые в итоге вырастут в ткань, так и полимеры, которые затвердеют в каркас. Когда свет направляется в раствор с помощью системы зеркал, скаффолд затвердевает в точном соответствии со спецификациями проецируемого изображения.

В результате этих шагов скаффолды производятся, а клетки инкапсулируются в стенках каркаса по мере того, как свет отверждает полимеры слой за слоем.

«С нашей платформой биофабрикации мы можем создавать произвольные трёхмерные формы, такие как разветвления кровеносных сосудов и трубки — большие и маленькие», — сказал Чэнь. «Моя работа сосредоточена на уровне изготовления материалов и устройств. Эта работа применима ко многим различным типам клеток и тканей».