Группа исследователей из Школы инженерии Университета Тафтса (Tufts University School of Engineering) и Университета Павии (University of Pavia) сообщила о разработке первой трехмерной тканевой системы, воспроизводящей сложную структуру и физиологию человеческого костного мозга и успешно производящей функциональные человеческие тромбоциты. Используя биоматрикс из пористого шелка, новая система способна продуцировать тромбоциты для будущего клинического применения, а также представляет собой лабораторную тканевую систему для изучения связанных с тромбоцитами заболеваний.

В новой тканевой системе продуцирующие тромбоциты клетки,
известные как мегакариоциты (синие), образуют нитевидные
протромбоциты (зеленые), которые затем трансформируются
в зрелые тромбоциты. (Фото: Tufts University)

«Существует много болезней, при которых нарушены либо образование тромбоцитов, либо их функция», – говорит Алессандра Бальдуини (Alessandra Balduini), MD, один из авторов статьи о новой разработке, опубликованной в онлайн издании журнала Blood. «Новые представления об образовании тромбоцитов будет иметь большое значение для пациентов и здравоохранения. В этой тканевой системе мы можем выращивать взятые у пациентов мегакариоциты – клетки костного мозга, образующие тромбоциты, – а также эндотелиальные клетки, которые также находятся в костном мозге и стимулируют образование тромбоцитов, разрабатывать индивидуальные схемы назначения препаратов пациентам».

Кроме того, предоставляя более точную и менее дорогостоящую альтернативу животным моделям, новая система может стать in vitro лабораторной тканевой системой для изучения механизмов развития заболеваний крови и прогнозирования эффективности новых препаратов.

«Потребность в продуцирующей тромбоциты системе для лечения пациентов с соответствующими заболеваниями значительна. Наша персонализированная система может помочь в формировании новых взглядов и в разработке новых клинических методов», – говорит другой автор статьи Дэвид Каплан (David Kaplan), PhD. «В дальнейшем тромбоциты можно будет производить по требованию, избегая осложнений, связанных с их хранением, в больших количествах и лучшего качества с точки зрения их морфологии и функции».

Тромбоциты могут как спасать жизнь, так и угрожать ей. Эти клетки не дают нам умереть от потери крови при травмах и ранениях, заставляя нашу кровь образовывать тромбы, но при инфаркте, инсульте, воспалении и раке они играют отрицательную роль. Находящаяся в губчатом веществе костей микросреда костного мозга и ее «ниши» поддерживают образование тромбоцитов и других клеток крови. Зрелые кровяные клетки поступают из костного мозга в кровоток, проходя по кровеносным сосудам, содержащим эндотелиальные клетки, и через компоненты внеклеточного матрикса, важные для образования здоровых клеток крови.

В успешной имитации этой микросреды важнейшую роль сыграли особые свойства протеинов шелка, объясняет доктор Каплан, один из ведущих специалистов по шелку и другим новым биоматериалам, чьи лаборатория создала основанные на шелке биоинженерные модели для головного мозга и других тканей.

«Белок шелка обладает уникальной молекулярной структурой, которая позволяет моделировать его в широкий спектр форм с разной жесткостью, а эти характеристики, как уже показано, влияют на образование и выброс тромбоцитов. Кроме того, шелк биосовместим и обладает способностью стабилизировать биологически активные агенты при нормальной температуре. Поэтому мы можем «функционализировать» его, добавляя такие агенты», – продолжает д-р Каплан.

Важно отметить, что шелк не активирует тромбоциты, а это означает, что он не вызывает тромбообразования, позволяя, тем самым, накапливать функциональные тромбоциты из биореактора.

Новая система представляет собой спряденные из шелка микротрубочки, коллаген и фибронектин, окруженные пористой шелковой губкой. Мегакариоциты – некоторые из них взяты у пациентов – высеваются в инженерную микрососудистую сеть. Исследователям удалось увеличить производство тромбоцитов в биореакторе путем внедрения в шелк активных эндотелиальных клеток и связанных с эндотелием молекулярных белков, способствующих образованию тромбоцитов.

Лабораторные тесты показали, что тромбоциты, образовавшиеся в этой тканевой системе и извлеченные из нее, способны к агрегации и образованию тромбов. Хотя количество тромбоцитов, полученных из одного мегакариоцита, ниже, чем в организме, по сравнению с предыдущими моделями эта система представляет собой значительный шаг вперед, считают исследователи.

В дополнение к изучению процессов, регулирующих образование тромбоцитов, и связанных с этими клетками заболеваний, получаемые в биореакторе тромбоциты могут быть использованы в качестве источника факторов роста для заживления ран в регенеративной медицине, включая язвы и ожоги, и стимулирования регенерации костной ткани в стоматологии и челюстно-лицевой пластической хирургии.

Новая система разрабатывалась в Италии и США, и это исследование является результатом продолжающегося сотрудничества ученых двух стран. Шесть лет назад доктор Бальдуини приехала в Университет Тафтса, чтобы обсудить свое исследование по клеткам крови и факторам подложки, важным для контроля над их функциями.

«Во время нашего обсуждения мы поняли, что потенциально между ее знаниями о клетках крови и заболеваниях и нашей работой по 3D тканево-инженерным системам много общего, в том числе текущая работа по шелковым тубулярным системам для кровеносных сосудов», – рассказывает доктор Каплан. «Это привело к совместным исследованиям, первой модели и сегодняшней системе, которая не только дает больше тромбоцитов, но и является более масштабируемой».

Оригинальная статья

Programmable 3D silk bone marrow niche for platelet generation ex vivo and modeling of megakaryopoiesis pathologies