В Германии разработана первая модель синтетической ткани с растущими кровеносными сосудами

Команда, возглавляемая инженером-биомедиком доктором Бриттой Траппманн из Института молекулярной биомедицины Макса Планка в Мюнстере, Германия, разработала систему культивирования клеток.

Речь идет о первой синтетической ткани, в которой растут кровеносные сосуды.


Использование созданных в лаборатории тканей для лечения или замены поврежденных органов - одно из великих видений медицины будущего. Синтетические материалы могут быть подходящими в качестве каркаса для тканей, потому что, в отличие от натуральных тканей, они остаются стабильными в организме достаточно долго, чтобы тело могло сформировать новые естественные структуры. Основным требованием к функциональной ткани является то, что кровеносные сосуды должны иметь возможность расти в них и соединяться с сосудистой системой организма, чтобы ткань должным образом снабжалась кислородом и питательными веществами. Однако до сих пор практически ничего не было известно о том, какие свойства материала способствуют росту кровеносных сосудов.

Ученые, работающие со специальным гидрогелем, свойства которого можно изменять контролируемым образом, сначала вырастили родительский кровеносный сосуд из клеток, выстилающих кровеносные сосуды человека. Затем они исследовали, как свойства материала искусственной клеточной среды влияют на формирование дополнительных кровеносных сосудов, и отрегулировали их.


Чтобы имитировать естественную среду клеток, многие дополнительные биомолекулы и клетки должны быть интегрированы в модельную систему на более поздних этапах - это могут быть сигнальные белки, иммунные клетки или клетки для стабилизации кровеносных сосудов. «Более того, действие всех этих факторов взаимосвязано в естественных тканях и варьируется от органа к органу», - объясняет Бритта Траппманн. Понимание всего этого, по ее словам, является долгосрочной целью.

Трехмерный тканевый каркас из гидрогеля

В этом исследовании исследователи усовершенствовали модельную систему, которую Бритта Траппманн разработала с коллегами во время работы в качестве постдока в США в Бостонском и Гарвардском университетах. Он состоит из трехмерного гидрогеля на основе сахара, в котором ученые проделывают два канала с помощью иглы для акупунктуры. Каждый канал имеет диаметр 400 микрометров, и они проходят параллельно друг другу на расстоянии примерно одного миллиметра. В одном канале ученые засевают эндотелиальные клетки, выстилающие кровеносные сосуды в естественных тканях. «Эндотелиальные клетки образуют контакты друг с другом и прикрепляются к своей синтетической тканевой среде в канале, таким образом, примерно через день образуется родительский кровеносный сосуд», - объясняет Бритта Траппманн.


Затем ученые хотели выяснить, какие свойства гидрогеля определяют, действительно ли мигрирующие эндотелиальные клетки формируют новые кровеносные сосуды. Они исследовали роль, которую играет активация так называемых молекул адгезии в клеточной мембране, через которые клетки прикрепляются к окружающей среде. Сначала исследователи обогатили каркас ткани гидрогеля различным количеством пептидов, которые активируют определенный тип молекулы адгезии, обнаруженный в мембране эндотелиальных клеток, называемых интегринами.

Интегрины для миграции

Чем выше концентрация пептидов, тем больше эндотелиальных клеток вместе мигрировали через гидрогель. Напротив, когда ученые заблокировали функцию интегрина, они заметили, что клетки мигрировали только индивидуально. На следующем этапе команда исследовала этот процесс, рассматривая два конкретных подтипа интегрина. «Мы обнаружили, что интегрин αvβ3 является важной молекулой адгезии, которая должна быть активирована для того, чтобы эндотелиальные клетки мигрировали группами», - говорит Бритта Траппманн. Ученые также показали, что коллективная миграция клеток, в свою очередь, является предпосылкой для образования эндотелиальных клеток полостей, соединенных с родительским сосудом на следующем этапе.

Хотя затем клетки кровеносных сосудов образовывали трубчатые структуры, они были меньше, чем в естественных тканях. Ученые предположили, что это может быть связано с тем, что синтетический гидрогель менее разлагается, чем натуральная ткань, и имеет меньшие поры, через которые могут проскальзывать клетки. Поскольку гидрогель состоит из цепочек молекул сахара, сшитых определенными молекулами, решение ученых состояло в том, чтобы обменять эти молекулы сшивающего агента, чтобы клетки могли быстрее расщеплять гидрогель, используя выделяемые ими ферменты. Это позволило клеткам быстрее мигрировать и образовывать более крупные сосудистые структуры.