Американским ученым удалось создать способную к сокращению сердечную мышцу из человеческих клеток, используя в качестве каркаса и сосудистой сети растительную ткань. Процесс создания описан в журнале Biomaterials.

Искусственные ткани из живых клеток необходимы как для экспериментов, так и для пересадки пациентам с целью компенсации дефектов органов. Одним из основных препятствий на пути к их получению служит невозможность создания полноценной сосудистой (особенно капиллярной) сети существующими методами, от микрофабрикации до 3D-печати.

При этом ветвление сосудов и микрососудов растений имеет большое сходство с сосудистой системой животных, а целлюлоза, из которой состоит растительный внеклеточный матрикс (каркас тканей и сосудов, у животных представленный соединительной тканью из коллагена и эластина), совместима с животными клетками и применяется в тканевой инженерии.

Проверка проницаемости сосудов листа шпината красителем. Worcester Polytechnic Institute

Сосудистая сеть животного (сердце крысы) и растения (лист буддлеи Давида). Joshua R. Gershlak et al. / Biomaterials, 2017

Учитывая это, сотрудники Вустерского технологического института, Университетов Висконсина и Арканзаса, решили взять за основу создаваемой искусственной сердечной ткани целлюлозный каркас листа шпината. Для его получения с листа отмыли кутикулу раствором изомеров гексана, после чего в течение пяти дней по канюлям пропускали через его сосуды мыльный раствор. Когда лист утратил клетки и стал прозрачным, его поочередно промыли сурфактантом, отбеливателем и водой.

Стадии децеллюляризации листа шпината. Joshua R. Gershlak et al. / Biomaterials, 2017

После этого у полученного каркаса проверили микроскопическую структуру, химический состав и механические свойства (прочность на растяжение и разрыв). Затем проницаемость его сосудистого русла оценили, заполняя его красителем и флуоресцирующими микросферами различного диаметра.

Схожей обработке и проверке подвергли растительные ткани с другими конфигурациями сосудов (стебель петрушки, лист полыни и модифицированный корень арахиса), чтобы показать принципиальную возможность их использования для создания искусственных тканей с заданной формой сосудистой сети.

Общая схема эксперимента. Joshua R. Gershlak et al. / Biomaterials, 2017

Убедившись в пригодности децеллюляризованного (лишенного клеток) листа шпината, ученые обработали его фибронектином, обеспечивающим адгезию клеток, и заселили сосуды клетками человеческого эндотелия (внутренней выстилки кровеносных сосудов), а поверхность — мезенхимальными стволовыми клетками (предшественницами соединительной ткани) и сердечными мышечными клетками (кардиомиоцитами), полученными из эмбриональных стволовых клеток.

В течение трех дней кардиомиоциты закрепились на поверхности и сфомировали кластеры, спустя еще два дня они начали спонтанно сокращаться. После этого амплитуда сокращений возрастала, достигнув плато на 10-й день и оставаясь постоянной в течение еще семи дней, после чего несколько уменьшилась. При этом клетки сохранили способность обеспечивать мембранный ток кальция (ключевой процесс для мышечной сократимости).

«Используя благоприятный химический состав растительных каркасов, мы можем избавиться от высокой стоимости и других многочисленных ограничений, связанных с применением сложных синтетических композитных материалов. Комбинируя экологически безвредные растительные ткани с технологией проточной децеллюляризации, мы показали, что они могут стать устойчивым источником каркасов с сосудистой сетью для тканевой инженерии», — пишут авторы работы.

По их словам, описываемый эксперимент был лишь подтверждением концепции, и в настоящее время ведется совершенствование технологии и ее испытание на различных типах клеток и тканей. Ученые выразили надежду, что со временем их разработка найдет применение в практических областях тканевой инженерии и регенеративной медицины.

В поиске способов создания приемлемой сосудистой сети для искусственных органов научные коллективы испытывают различные, порой весьма необычные методы. Так, сотрудники Университета Вандербильта предложили использовать с этой целью машину для изготовления сахарной ваты.

Автор: Олег Лищук