Наноинженеры Университета Калифорния, Сан-Диего, (University of California, San Diego) получили грант Национального института здравоохранения (National Institutes of Health) США на разработку инструмента для производства биодеградируемых каркасов, вокруг которых может расти сердечная ткань, включая функциональные кровеносные сосуды. Развитие методов выращивания тканей, имитирующих тончайшие природные свойства, в том числе сосудистые сети, приведет к прорыву в попытках замены ткани сердца людям, перенесшим инфаркт. Работа также приведет к усовершенствованию лабораторных систем для выращивания и изучения клеток, включая стволовые.

Руководителем проекта, финансируемого грантом Национального института здравоохранения в $1,5 миллиона, является профессор Шаочень Чень (Shaochen Chen) с факультета наноинженерии UС, Сан-Диего. Грант направлен на разработку платформы, необходимой для производства таких биодеградируемых структур, или каркасов.

«Мы создаем биоматериалы на основе наноструктур», – говорит Чень. «С научной точки зрения на молекулярном уровне существует очень много возможностей, и наноинженерия идеально подходит для этого. Мы надеемся, что наша новая платформа даст возможность получать ткани, в значительно большей степени имитирующие природные».

Одна из таких возможностей состоит в том, чтобы поднять на новый уровень функциональности и точности ранее разработанные Ченем и его коллегами каркасы, которые они постоянно совершенствовали в течение последних пяти лет.

Изображение каркаса с треугольными порами
(электронный сканирующий микроскоп), созданного
Ченем и его коллегами с помощью старой версии
производственной платформы Ченя.
(Фото с сайта ucsdnews.ucsd.edu)

С помощью усовершенствованной платформы инженеры факультета наноинженерии Школы инженерии Джэкобса (Jacobs School of Engineering) UC, Сан-Диего, смогут производить каркасы со строго определенной системой наноразмерных пор и других микроархитектурных деталей, управляющих взаимодействием клеток друг с другом и окружающей их средой.

«Нужно разработать поры, через которые клетка будет получать питание и освобождаться от отходов… пути ее выживания в системе», – объясняет Чень.

В планы ученые входит и создание каркасов с трубками. Такие трубки можно засеять эндотелиальными клетками, выстилающими кровеносные сосуды в живом организме, и попытаться получить функционирующие сосудистые сети. Отсутствие кровеносных сосудов в большинстве систем регенерации тканей приводит к смерти клеток или потере их функций, а также ограничивает максимальный размер регенерируемой ткани.

Кроме того, химические свойства новых каркасов в их верхних и нижних отделах будут различаться, что создаст химические градиенты, управляющие ростом клеток.

Как и в предыдущих версиях разработанной Ченем системы, клетки будут инкапсулированы в стенки каркаса.

«Обычно, когда ученые выращивают ткань, они создают каркас, помещают в него клетки и дают им расти», – объясняет Чень. «При создании наших каркасов клетки уже находятся внутри их стенок». Инкапсуляция клеток в стенки способствует их равномерному распределению при засеве.

Изображение каркаса с порами в виде сот
(электронный сканирующий микроскоп), который
Шаочень Чень и его коллеги создали с помощью
старой версии производственной платформы Ченя.
(Фото с сайта ucsdnews.ucsd.edu)

Каркасы будут сделаны на основе природных материалов, таких как гиалуроновая кислота – основной компонент экстрацеллюлярного матрикса, обеспечивающего структурную поддержку, заживление ран и выполняющего целый ряд других функций в тканях человека и животных.

«Гидрогели для наших каркасов не должны быть слишком мягкими, слишком липкими или слишком жесткими. Они должны соответствовать потребностям биологической ткани», – объясняет Чень.

Выращиванием и оценкой качества полученных с помощью таких каркасов тканей будут заниматься ученые Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School).

Для изготовления тканевых каркасов Чень и его коллеги разработали и продолжают совершенствовать производственный процесс, в котором используется свет, точно управляемые зеркала и компьютерная система проецирования. Сначала инженеры создают трехмерную модель необходимой структуры. Затем они готовят раствор, содержащий клетки, которые в конечном итоге должны образовать ткань, и полимеры, которые, затвердевая, превратятся в сам каркас. Когда с помощью нескольких зеркал свет направляется в раствор, каркас затвердевает в точном соответствии со всеми деталями проецируемого изображения.

Теперь каркасы готовы, а клетки инкапсулированы в их стенки, так как свет заставляет полимеры затвердевать слой за слоем.

«С нашей биопроизводственной платформой мы можем построить произвольные трехмерные формы, такие как ветви кровеносных сосудов, и трубки – большие и маленькие», – комментирует Чень.

Каркасы и биоинженерная платформа для их производства могут быть использованы для работы и с другими типами клеток и тканей.