Ученые Университета Фрайбурга (University of Freiburg), Германия, создали гидрогель для регенерации тканей, который можно «доработать» и использовать для восстановления любой органа.

Новый вид геля, способствующий правильной организации человеческих клеток, разработан профессором Прасадом Шастри (Prasad Shastri) и его коллегами. Гидрогели из агарозы, полимера из молекул сахаров, получаемых из морских водорослей, имитируют многие аспекты среды, окружающей клетки человека в организме. Они могут служить тем каркасом, который помогает организации клеток в ткани.

Применяя такие гидрогели, профессор Шастри и его коллеги смогли вырастить кровеносные сосуды способом, не имеющим на сегодня аналогов. В будущем эти гели могут быть использованы для ускорения регенерации поврежденных тканей.

Окружающая клетки среда состоит из коллагена и полимеров из молекул сахаров. Она обеспечивает механический сигналинг, необходимый как для выживания клеток, так и для их правильной организации в ткани, и, следовательно, необходима для тканевой регенерации. Гель может имитировать такой каркас. Однако он должен точно воспроизводить физические свойства внеклеточного молекулярного матрикса. Эти свойства, например, жесткость, варьируют в зависимости от вида ткани.

Гидрогели образуются при сшивке растворимых в воде полимерных цепочек. Чтобы агарозные гели максимально соответствовали межклеточной среде, профессор Шастри и его коллеги модифицировали молекулярную структуру полимера добавлением карбоксильных групп. В агарозном геле сахарные цепочки организуются в спиральную структуру, так называемую α-спираль. При добавлении к этой основе кислоты полимеры образуют лентообразные конструкции – β-листы, что позволяет изменять жесткость геля и таким образом адаптировать подложку к любой ткани человеческого организма.

Чтобы продемонстрировать универсальность своего геля, исследователи провели in vitro эксперимент по выращиванию кровеносных сосудов из эндотелиальных клеток. Используя соответствующие биологические молекулы, опосредующие развитие сосудов в эмбрионе, они определили то единственное условие, которое стимулирует формирование эндотелиальными клетками больших структур, очень близких к кровеносным сосудам, высотой несколько сотен микрометров. Полученный исследователями результат имеет большое значение для лечения поврежденной сердечной и мышечной ткани.

3-D организация и ветвление человеческих эндотелиальных клеток в сосудистые сети в карбоксилированных агарозных гелях.
Эндотелиальные клетки организуются в прямостоящие люмены более 100 мкм в длину. Тот факт, что биоматериал может служить инструктивным
матриксом, является стимулом к изучению механобиологической парадигмы в регенеративной терапии.
(Фото: © Aurelien Forget, Prasad Shastri)

Принято считать, что образование больших сосудистых структур требует дополнительных клеток, называемых муральными поддерживающими клетками, являющихся каркасом для прикрепления и организации эндотелиальных клеток.

«Это просто замечательно, что в наших гелях организация эндотелиальных клеток в прямостоящие сосудистые протоки происходит без участия поддерживающих клеток», – говорит профессор Шастри. «Мы были удивлены, обнаружив, что эндотелиальные клетки подверглись специфической трансформации, называемой апикально-базальной поляризацией».

Оказывается, такая поляризация является необходимым условием развития кровеносных сосудов и естественно происходит в развивающемся эмбрионе. Способность индуцировать эту поляризацию в клетках в трехмерных культурах в среде из синтетического полимера является уникальной особенностью нового геля, не свойственной, в частности, фибриновым и коллагеновым гелям.

Оригинальная статья Polysaccharide hydrogels with tunable stiffness and provasculogenic properties via α-helix to β-sheet switch in secondary structure опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.