Какой орган самый важный в организме человека? Романтики скажут сердце, прагматики — мозг, а реалисты скажут все. И это так, ведь организм человека это слаженный механизм, состоящий из множества деталей, больших и малых, работающих в унисон.

Если же говорить о самом важном топливе для такого механизма, то одним из первых в голову, конечно же, придет кислород. А доставкой кислорода занимается сердечно-сосудистая система. Сегодня мы с вами познакомимся с исследованием, в котором ученым удалось создать искусственный сосудистый лабиринт из фотополимеризующегося гидрогеля. Как создавали искусственные сосуды, насколько они эффективны, уступают ли они в чем-то настоящим сосудам и при чем тут куркума? Об этом и не только мы узнаем из доклада исследовательской группы.

Основа исследования

В основе искусственных сосудов, основной задачей которых является перенос жидкости, лежит материал, который с жидкостями работает просто великолепно. Этот материал именуется гидрогель.

Гидрогель это совокупность гидрофильных* полимерных цепей, иногда встречающихся в виде коллоидного геля, в котором вода является дисперсионной средой*.

Гидрофильность* — способность хорошо впитывать воду, антипод гидрофобности (способности молекулы отталкивать воду).

Дисперсная система* — соединение из нескольких фаз, которые не смешиваются и не реагируют между собой химически. Ярким примером дисперсной системы является воздух, облако, композитные материалы и т.д.

Трехмерное твердое вещество из гидрогеля образуется за счет поперечных связей, удерживающих гидрофильные полимерные цепи. Из-за этого структурная целостность сети гидрогеля не растворяется даже при большой концентрации воды. При этом гидрогель это отличный абсорбент.

Еще одной важной для данного исследования особенностью гидрогеля является его гибкость, сравнимая с гибкостью натуральных тканей, что связано с высоким содержанием воды.

Необычным был не только материал, но и метод его применения. Поскольку морфология сосудистой и легочной систем очень сложна и запутана, использовать обычные методы 3D-печати было бы неправильно. Ученые использовали стереолитографию для создания мягких гидрогелей, содержащих внутри необходимые сосудистые «лабиринты».

В отличие от стандартной экструзионной печати, когда воксели* наносятся последовательно, фотосшивание* позволяет использовать проекцию изображения и создавать одновременно миллионы вокселей.

Воксел* — элемент объемного изображения, как пиксель в двумерном изображении.

Фотосшивание* (photocrosslinking) — фотоиндуцированное образование ковалентной связи между двумя макромолекулами или между двумя различными частями одной макромолекулы.

В стереолитографии разрешение xy определяется путем прохождения света, тогда как разрешение zопределяется светопоглощающими добавками, которые поглощают избыточный свет и ограничивают полимеризацию до желаемой толщины слоя, тем самым улучшая точность паттерна создаваемого объекта.

Стоит уточнить, что термин «разрешение» в трехмерной печати имеет сразу несколько определений, ввиду наличия трехмерности, то есть осей x, y и z.

Разрешение xy это самое малое движение, совершаемое лазером или экструдером во время трехмерной печати одного слоя. Чем меньше этот показатель, тем точнее будет результат. Разрешение z это уже толщина самого слоя.

Если же не применять фотоабсорбирующие добавки, то гидрогелевая модель будет крайне ограничена в плане формы и сложности структуры. И ту возникает проблема: использовать обычные светоблокирующие химические вещества, которые применяются для структурирования фоторезиста или изготовления пластиковых деталей (например, Sudan I — C16H12N2O), невозможно в биопроизводстве из-за токсичности и канцерогенности таких веществ. Но ученых не так просто обескуражить. Они предложили использовать синтетические и натуральные пищевые красители, которые отлично справляются с фотоабсорбцией и безопасны для здоровья человека.

Первоначально исследователи пытались создать монолитный гидрогель, состоящий в основном из воды и полиэтиленгликоль диакрилата с цилиндрическим каналом диаметром 1 мм внутри, ориентированным перпендикулярно оси проекции света. Но даже такая простая модель очень сложна в создании ввиду того, что низкая массовая доля комбинируемых элементов и необходимость в более продолжительной полимеризации приводят к затвердеванию в узких каналах, которые должны быть, естественно, полыми.

Дабы решить эту проблему необходимо было подобрать определенные составляющие элементы будущей модели, в том числе и пищевые красители. Ученые выяснили, что использование тартразина (желтый пищевой краситель, E102), куркумина (из куркумы) или антоцианина (из черники) позволяет получить гидрогель с сосудистым лабиринтом без затвердеваний, перекрывающих поток жидкости по каналу.

Среди неорганических соединений отличные результаты показали наночастицы золота (50 нм), которые отличаются высокой степенью поглощения света и хорошей биосовместимостью.

Результаты исследования

Объединив все вышеописанные открытия и предыдущие наработки, исследователи приступили к практической реализации гидрогеля, содержащего сосудистую сетку.

Первым делом были проведены испытания хаотических смесителей (миксеров), то есть внутрисосудистых топологий, которые гомогенизируют* жидкости в результате взаимодействий между потоками жидкости и геометрией сосуда.

Гомогенизация* — процесс уменьшения неоднородности распределения химических веществ и фаз по объёму общей для них системы. Был создан монолитный гидрогель со встроенным статичным (неподвижным) миксером, состоящим из трехмерных закрученных лопастей (150 мм в толщину) с чередующейся хиральностью внутри 1-мм цилиндрического канала.

Изображение №1

Для проверки работоспособности такого миксера были применены потоки ламинарной жидкости к статическому миксеру при низком числе Рейнольдса (0,002). В результате наблюдалось быстрое смешивание на единицу длины (1А) и в зависимости от числа лопастей.

Далее ученые создали трехмерный двустворчатый венозный клапан (1В). Створки этого клапана были динамическими (подвижными) и быстро реагировали на пульсирующие антероградные (движение вперед) и ретроградные (обратное движение) потоки жидкости. Также стоит отметить образование устойчивых вихрей в пазухах клапана, что полностью соответствует поведению настоящего клапана.

Следующий шаг это более сложные и запутанные сосудистые системы, которые могут состоять из нескольких лабиринтов. Самое важное это то, что они не должны пересекаться, иначе в результате будет один большой лабиринт, когда необходимо два или более отдельных, независимых друг от друга потока. Математические алгоритмы заполнения пространства и фрактальной топологии, примененные учеными, показали хорошие результаты в проектировании двух сосудистых лабиринтов, которые не пересекаются.

Изображение №2

Исследователи протестировали несколько вариантов архитектур с двумя непересекающимися каналами: спираль вокруг прямого (осевого) канала (2А); кривые Гильберта 1° и 2° (2В); двунепрерывная кубическая решетка (2С); торический узел вокруг тора (2D).

Далее ученые проверили насколько эффективно их искусственная сосудистая система выполняет свои основные обязанности — транспортировку кислорода. Жидкость с деоксигенированными эритроцитами (насыщение кислородом ≤ 45%) проходила по спиральному каналу (2Е), обогащенному увлажненным газообразным кислородом (7 кПа). На выходе можно увидеть изменение цвета с темно-красного на ярко-красный, что говорит о насыщении эритроцитов кислородом в процессе прохождения жидкости по каналу (2F и 2G). Анализ эритроцитов после этого теста подтвердил увеличение насыщения кислородом.

Подобная спиральная сосудистая система достаточно проста, как заявляют сами ученые. И несмотря на отличные результаты по оксигенации, необходимо проверить исследуемую модель в более жестких условиях. Для этого отлично подходит модель нашего легкого, поскольку в таком случае необходимо учитывать не только возможность построения сложной сети сосудов, но и их эластичность — важного показателя ввиду динамичности легких. Ученые, взяв за основу свои предыдущие наработки и труды своих коллег, создали альвеолярную модель с обволакивающей сосудистой сеткой, в основе которой лежит принцип сложной трехмерной структуры «пена Уэйра-Фелана».

Изображение №3

В основе пены Уэйра-Фелана лежат выпуклые многогранники, однако это не мешает создавать и вогнутые, которые будут напоминать альвеолярные воздушные мешочки с общим атриумом дыхательных путей (3А). Полученная модель состояла из 185 сосудистых сегментов и 113 точек пересечения.

Далее модель была применена для печати. Размер векселей составил 5 pl, а время печати 1 час (3B). Циклическая вентиляция объединенных дыхательных путей увлажненным газообразным кислородом привела к заметному растяжению и изменению кривизны вогнутых областей дыхательных путей. Перфузия дезоксигенированных эритроцитов на входе в сосудистую систему (от 10 до 100 мм/мин) во время циклической вентиляции привела к заметному сжатию и клиренсу эритроцитов из сосудов, прилегающих к вогнутым областям дыхательных путей (3С).

Данные анализа вычислительной модели подтвердили анизотропное растяжение вогнутых областей дыхательных путей во время инфляции, то есть расширения (3D).

При том, что объем гидрогеля (0,8 мл) в альвеолярной модели составляет порядка 25% от объема спиральной модели, эффективность оксигенации обеих моделей практически идентична (3Е).

Ученые считают, что ветвистая (сетчатая) топология гидрогеля и его растяжение, а также перенаправление потоков во время вентиляции позволяет увеличить поглощение кислорода эритроцитами, то есть их оксигенацию.

Одним из важнейших моментов являться масштабируемость. Другими словами, необходимо учесть расположения входа/выхода сосудистой системы и воздуховод таким образом, чтобы эта архитектура была максимально приближена к реальным легким. Изначальный тестовый объем гидрогеля дал в результате весьма разветвленную систему (3F). Входные и выходные сосудистые системы должны располагаться под углом 180 градусов относительно друг друга и быть топологически смещены от дыхательных путей. Сами же сосуды должны доходить до самых дальних ответвлений, то есть до альвеолярных пузырьков, состоящих из 354 сосудистых сегмента и 233 точек пересечения сосудов (3G).

Тестирование полученной альвеолярной модели показало, что она способна выдержать более 10 000 циклов вентиляции при давлении в 24 кПа и частоте 0,5 Гц в течение 6 часов. При этом во время теста использовался и увлажненный кислород, и увлажненный азот (3H, 3J).

На изображении 3I отчетливо видно, что разработанная система обеспечивает смешивание эритроцитов и двунаправленность потоков внутри отдельных сегментов сосудов.

Разработанная система показывает отличные результаты во время проверок, как мы уже поняли, но остается еще один важный вопрос — совместима ли гидрогельная модель с живыми клетками.

Дабы проверить это ученые использовали стереолитографию для изготовления таких же моделей, как и описано выше, но уже содержащих живые клетки млекопитающего. В качестве таких клеток выступили мезенхимальные стволовые клетки человека. Анализ полученной системы показал, что клетки внутри гидрогельной структуры остаются жизнеспособными и могут подвергаться остеогенной дифференцировке.

Такие положительные результаты нельзя было оставить без проверки, потому ученые решили провести ряд тестов для установления степени полезности данного метода изготовления биосовместимых искусственных систем.

Для основы была взята печень, ибо этот орган выполняет ряд важнейших функций в организме, успешность выполнения которых сильно зависит от структурной топологии этого органа.

Изображение №4

Исследователи создали сложную гидрогельную структуру, состоящую из множества одноклеточных тканей и гидрогелевых носителей, содержащих агрегаты гепатоцитов (4А-4С).

Промоторная активность альбумина тканевых носителей, содержащих агрегаты, была увеличена более чем в 60 раз по сравнению с активностью имплантированных тканей, содержащих отдельные клетки (4B, 4C). Кроме того, при тщательном осмотре тканей после резекции ткани-носители гидрогеля оказались более интегрированными с тканью и кровью испытуемой мыши (4D).

Печеночные агрегаты лучше отдельных клеток, однако они вносят сложности в процесс создания гидрогельных моделей, ибо их размер превышает самое низкое разрешение вокселов (50 мм).

Дабы решить эту проблему, ученые создали свою архитектуру носителя агрегатов (4Е). Сеть микроканалов была засеяна эндотелиальными клетками пупочной вены человека, поскольку это улучшает приживаемость тканей. Далее эта искусственная система была трансплантирована в печень с хроническими повреждениями грызуна. Спустя 14 дней после вживления наблюдалась активность промотора альбумина, что свидетельствует о выживании функциональных гепатоцитов, то есть о жизнеспособности трансплантированных клеток печени (4F). Иммуногистологический анализ показал наличие печеночных агрегатов на поверхности напечатанных компонентов гидрогеля (4F и 4G). Кроме этого, обычный анализ снимков показал присутствие крови особи-носителя внутри имплантированной гидрогельной системы, что еще раз подтверждает отсутствие какого-либо отторжения.

Для более детального ознакомления с нюансами и подробностями исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Результатом сего исследования является сосудистая система на базе гидрогеля и натуральных/искусственных пищевых красителей, которая отлично справляется с основными своими задачами, в частности с переносом кислорода. Кроме этого ученые использовали не совсем стандартный метод печати (стереолитографию), который позволяет создавать сложные архитектуры за достаточно короткое время. В дальнейшем ученые намерены совершенствовать свое детище, ибо сосудистая система каждого органа или участка тела имеет свои особенности, которые необходимо рассмотреть, изучить и учесть в разработке более совершенного гидрогелевого искусственного аналога.

Создание искусственных тканей, их совокупностей и впоследствии органов это кропотливый и очень сложный процесс. Но благие дела очень часто сопряжены с трудностями. А это исследование нельзя назвать ничем другим, кроме как благим делом. Первая проблема, с которой сталкивается больной человек, нуждающийся в трансплантации какого-либо органа, это ожидание. К примеру, по некоторым данным в США ежедневно умирает 20 человек в очереди на пересадку печени. Вторая проблема — донор. Нельзя просто взять орган одного человека и пересадить его другому. Необходима совместимость ряда параметров. И вторая проблема плавно подпитывает первую, удлиняя время ожидания спасительной операции.

Конечно, массовое выращивание органов и систем, как помидоров на ферме, с дальнейшей пересадкой это пока только будущее, но насколько далекое зависит от таких исследований и их успешности. Говоря конкретно о сегодняшнем труде, можно сказать, что такое будущее стало чуть ближе.