Сосуды из гидрогеля ведут себя, как настоящие
Сосуды, изготовленные с помощью 3D-биопечати и засеянные человеческими клетками, способны к вазоконстрикции при обработке фенилэфрином (по центру) и вазодилатации при обработке ацетилхолином (справа). Маштабный маркер соответствует 200 мкм. Credit: Shrike Zhang.
Для восстановления кровотока при сердечно-сосудистых заболеваниях проводится шунтирование, которое предполагает пересадку фрагментов собственных вен пациента либо использование синтетических сосудов. Оба варианта имеют недостатки. Так, при использовании аутологичного материала могут возникнуть осложнения как в месте забора сосуда, так и в сайте трансплантации. Синтетические же сосуды имеют относительно низкую проходимость (особенно сосуды малых диаметров) и небольшой срок службы. Альтернативой традиционным синтетическим имплантатам могут стать сосуды, изготовленные с помощью трехмерной биопечати. Ученые из США разработали метод трехмерной биопечати тканей, имитирующих вены и артерии, и протестировали полученные с ее помощью сосуды in vitro и in vivo.
Ключевой этап печати тканей, имитирующих человеческие, — создание цитосовместимых биочернил, которые обеспечивают готовому изделию свойства, сходные с таковыми у натуральных сосудов. Авторы новой работы взяли за основу прочный гидрогель с двойной сеткой (DN-гидрогель). Предшественник биочернил, состоящий из альгината натрия и желатина, кросс-сшивался хлоридом кальция и микробной трансглутаминазой. Получившийся DN-гидрогель обладал необходимой прочностью, а его механические свойства можно было настраивать в широких пределах, варьируя концентрации компонентов.
Артерии и вены состоят из трех слоев: внешнего соединительного, среднего гладкомышечного и внутреннего эндотелиального. Ученые использовали разные подходы для биопечати сосудов артерий и вен, чтобы воспроизвести их структуру и свойства. Сосуды, имитирующие вены, состояли из гидрогелевой трубки, просвет которой засевался человеческими эндотелиальными клетками пупочной вены, а внешняя поверхность — гладкомышечными клетками пупочной вены. Для создания артерий применялась двуслойная печать: внутренний слой формировался из более прочного гидрогеля, обеспечивающего механическую поддержку, внешний — из более мягкого гидрогеля с инкапсулированными гладкомышечными клетками. Внутренняя повержность также засевался эндотелиальными клетками.
Ученые подтвердили пролиферацию и нормальные функции клеток, входящих в состав искусственных сосудов. Изделия, имитирующие вены, обладали барьерными свойствами, а миметики артерий были способны к вазоконстрикции и вазодилатации в ответ на соответствующие стимулы.
Затем авторы протестировали работу сосудов in vitro, ex vivo и in vivo. Они предположили, что сосуды, полученные с помощью биопечати, можно использовать в качестве трехмерной модели для изучения инфекций, например, инфекции SARS-CoV-2. Гладкомышечные клетки в составе искусственной вены активно экспрессировали ACE2. Вену заражали псевдовирусом, несущим S-белок коронавируса, в присутствии противовирусных препаратов и без них. Препараты снижали цитопатический эффект вируса и количество зараженных клеток.
В экспериментах ex vivo искусственные сосуды соединяли с эксплантированными сосудами мыши или человека и пропускали через систему флуоресцентные шарики. Ничто не затрудняло движения шариков, система не давала протечек. Тогда ученые в качестве доказательства концепции имплантировали искусственную вену на место вырезанного фрагмента полой вены живой мыши. После удаления зажимов с вены в организме мыши восстанавливался нормальный кровоток.
Ученые планируют улучшать технологию, приближая ориентацию гладкомышечных клеток к естественной. Они отмечают, что необходимы дальнейшие комплексные исследования сосудов, полученных с помощью 3D-биопечати, in vivo.
Статья Wang et al. Microfluidic bioprinting of tough hydrogel-based vascular conduits for functional blood vessels опубликована в журнале Science Advances.
Ирина Конова, PCR.news
Портал «Вечная молодость» vechnayamolodost.ru
