Когда биомедицинским исследователям необходимо проверить свои новейшие идеи, они часто обращаются к инженерным моделям человеческих тканей, которые имитируют реакции в нашем организме. Это стало важным промежуточным шагом перед клиническими испытаниями на людях.
Проблема кровообращения
Одним из ограничивающих факторов является необходимость в кровообращении для выживания клеток, а добиться этого в трёхмерных клеточных структурах может быть сложно. Без надлежащих сосудистых систем — даже примитивных — размер и функциональность инженерной ткани ограничены, и в ней могут образовываться некротические области мёртвых клеток.
Новое исследование
Новое исследование, проведённое в Колледже инженерии и прикладных наук имени Томаса Дж. Уотсона при Бингемтонском университете, предлагает возможное решение этой проблемы. В статье, недавно опубликованной в журнале Biomedical Materials, доценты Ин Ван и Ингге Чжоу показывают, как новейшие методы нанопроизводства могут создать более совершенную искусственную сосудистую систему.
В исследовательскую группу также входили докторанты Сяньян Ли, Садия Хан и Янь Чен; Лиюань Ван (2023 г.) и постдокторант Сян Фан.
«Наша сосудистая система имеет разные уровни иерархии, — говорит Ин Ван, сотрудник кафедры биомедицинской инженерии. — У нас есть более крупные сосуды, такие как аорта или вены, и более мелкие артерии для разных функций».
«Мы можем напечатать на 3D-принтере более крупные сосуды, а для более мелких мы полагаемся на спонтанную самоорганизацию. Однако мы пытаемся разработать некоторые биоматериалы, чтобы иметь возможность регулировать размер, делать его больше или меньше, чтобы мы могли изготавливать разные типы сосудистой системы».
В своих предыдущих исследованиях Чжоу из Школы системных наук и промышленной инженерии создавал трёхмерные каркасы в микроскопическом масштабе.
Команда из Бингемтона изготовила микротрубки из двух инертных соединений, часто используемых в биомедицинских устройствах: полиэтилен оксида (PEO) и полистирола (PS). Электроформование — технология производства, в которой используется сильное электрическое поле для формирования ультратонких волокон, — было важно для создания чего-то в таком малом масштабе.
«Микробubble имеет размер от 1 до 10 микрон, — говорит Чжоу. (Микрон — это одна миллионная часть метра; средний человеческий волос имеет толщину 70–100 микрон.) — Трёхмерному принтеру сложно печатать с таким разрешением, поэтому мы использовали электроформование для создания твёрдых микротрубок. Затем мы растворили сердцевины, чтобы сделать их полыми, и использовали ультразвуковую вибрацию, чтобы разбить их, чтобы они не были слишком длинными. Мы хотели, чтобы они были короче и распределялись в инженерной ткани».
Используя флуоресцентные микросферы, исследователи отслеживали кровоток в инженерной ткани и обнаружили, что трубки улучшают распределение крови, обеспечивая питание и кислород, необходимые клеткам для жизни.
Перспективы
В будущем они хотели бы изучить, как размеры и форма микротрубок влияют на сосудистые результаты, и как структуры могут быть настроены для конкретных нужд тканевой инженерии. Они также хотят разработать более специфичную для органов микроциркуляцию, такую как гематоэнцефалический барьер, который отделяет кровеносную систему от ткани мозга. Понимание этого барьера имеет важное значение для лечения опухолей или нейродегенеративных заболеваний.
«Мы хотим приблизить физиологическую значимость этих инженерных тканей к нашему собственному телу, — говорит Ван. — Если мы усовершенствуем эту технологию, мы сможем собрать не только отдельный орган, но и несколько органов в виде живой системы на основе человеческих клеток».