Прорыв в разработке кровеносных сосудов
Когда у кого-то смертельная болезнь или у нее есть опасная для жизни травма, трансплантация или трансплантат новой ткани могут быть лучшим вариантом или только средством лечения. Трансплантированные органы, кожные трансплантаты и другие части нуждаются в кровеносных сосудах для доставки крови, богатой кислородом, но для инженеров тканей и специалистов по регенеративной медицине, создание функциональной сети кровеносных сосудов в больших тканях в лаборатории уже давно является серьезной проблемой.
В настоящее время исследовательская группа в Университете штата Делавэр впервые разработала методы для создания самоорганизующейся, функциональной сети кровеносных сосудов с размером, подходящим для использования человеком. Джейсон Глигорн и его коллеги первыми сделали эту систему работой в этом масштабе, и их результаты были недавно опубликованы в журнале Biomaterials.
Gleghorn, доцент биомедицинской инженерии в Университете штата Делавэр, изучает, как эмбрион строит ткани и органы во время развития с целью использования этих знаний для определения новых стратегий регенеративной медицины. В то время как другие группы создали сети кровеносных сосудов, размер которых равен миллиметрам, система UD работает через сантиметровые шкалы, необходимые для замены функциональной ткани. С большим развитием и изысканностью, микрофлюидная система Gleghorn могла когда-нибудь использоваться для выращивания кровеносных сосудов для трансплантации тканей и органов у людей.
Как построить сети кровеносных сосудов
Команда встроила клетки кровеносных сосудов человека в гель, полученный из коллагена, белка, обнаруженного в соединительной ткани, такой как кожа и суставы. Цель состояла в том, чтобы определить физические условия, необходимые для того, чтобы клетки растут, размножаются и соединяются друг с другом, чтобы сеть кровеносных сосудов собралась сама.
Создание сетей кровеносных сосудов - сложный бизнес, потому что система не всегда ведет себя так, как ожидают исследователи. Во время его докторантуры Глигорн был частью первой команды, которая разработала методы создания сетчатых сетей кровеносных сосудов для тканевой инженерии с использованием микрожидкостных методов.
«Как инженер, мы можем сказать, что мы считаем, что клетки должны быть настолько далекими друг от друга, или сосуды должны быть определенного размера и расстояния», - сказал Глигорн. «Мы можем создать очень точную среду и структуру для ячеек, но проблема в том, что биология не работает именно так. Клетки переделывают все. Они меняют форму и размер, нажимают друг на друга и накладывают друг на друга и материалы, в которые они встроены, чтобы перестроить наш «идеальный» дом, который нам кажется нужным. Реальность заключается в том, что нам необходимо разработать системы, которые будут стимулировать клетки к перестройке себя и окружающей среды для создания функциональной ткани ».
Вместо этого группа Gleghorn спросила: «Какова основная начальная отправная точка системы, в которой мы нуждаемся, а затем мы можем направить ее в правильном направлении, чтобы заставить ее развиваться и строить свою собственную архитектуру, подобную тому, как это делает ваше тело во время развития? », - сказал он.
Для одного, используя мощный конфокальный микроскоп в Институте биотехнологии штата Делавэр, группа обнаружила, что плотность или жесткость коллагенового геля влияют на то, как ведут себя подвешенные в нем клетки, в конечном счете влияя на размер и связность сосудов.
«Это похоже на праздничный десерт с фруктами, подвешенными в Jell-O», - сказал Gleghorn из клеток в коллагеновом геле. «У вас есть куча клеток, случайно распределенных по всему объему геля, и если они распределены редко, им очень сложно разговаривать друг с другом и формировать связи для образования сосудов. Языками, которые они используют, являются химические сигналы и физические силы ». Ключ должен найти сладкое пятно жесткости, достаточно жесткое, чтобы соседние клетки могли взаимодействовать с материалом и друг с другом, но не настолько жестки, что клетки не могут двигаться.
Команда также обнаружила, что, нарушая их систему определенным образом, они могут влиять на размер и форму сетей судна при сборке.
«От крупных судов до гораздо меньших микрососудов, которые действительно трудно сделать, мы теперь можем настроить архитектуру сети судов с начальными начальными параметрами», - сказал Глигорн. Это означает, что новая система может иметь приложения от формирования больших сосудов глубоко внутри тела до крошечных капилляров, маленьких сосудов на кончиках ваших пальцев.
Команда Gleghorn также обнаружила, что их лабораторные кровеносные сосуды были перфекционистскими, предполагая, что кровь может протекать через них, не вытекая из сосудов в окружающий гель. Сети сосудов могут также образовываться во множестве различных гелей, что означает, что эта система может быть полезна для создания сетей кровеносных сосудов в тканях со сложными формами, таких как хрящ мениска, который накладывает колени на колени или большой кожный трансплантат для ожоговых пациентов.
В дополнение к Gleghorn, авторы новой статьи включают Джошуа Моргана, бывшего докторанта в UD, который теперь является доцентом Калифорнийского университета в Риверсайд; Жасмин Ширази, аспирант по биомедицинской технике; Эрика Комбер (Erica Comber), бывший младший научный сотрудник, получивший диплом с отличием в области биомедицинской инженерии от UD в 2017 году, и в настоящее время получает докторскую степень в Университете Карнеги-Меллона; и Кристиан Эшенбург, руководитель отдела исследований и разработок в Orthopedic Technology Services GmbH, действующий в Германии, который проводил исследования в лаборатории Gleghorn в рамках программы обмена студентами Fraunhofer-UD. Эта работа была частично поддержана грантами Национальных институтов здравоохранения, Национального научного фонда, Исследовательского фонда Университета Делавера, Ассоциацией университетов Университета Оук-Ридж Ральфа Э. Модификатора повышения квалификации и премии Марша Дэймса Василия О'Коннора.
Теперь группа Gleghorn еще больше узнает о том, как создаются сети кровеносных сосудов, чтобы они могли усовершенствовать свою систему. С Бабатунде Огуннайке, Уильямом Л. Другим кафедрой химической инженерии, Глйхорн отображает математические формулы, чтобы описать, как кровеносные сосуды формируются и реконструируются при разработке куриных эмбрионов в яйце. «Тогда мы планируем взять математику и системную инженерию и связать ее с биологией - молекулами и сигнальными путями - которые мы знаем, и применим их к этим трехмерным тканевым инженерам для создания более сложных иерархических сетей кровеносных сосудов», - сказал Глихорн , Этот проект поддерживается премией из Университета Делавера Исследовательского фонда.