Каждая четвертая смерть в мире связана с заболеваниями сердца, около 3500 больных в США ждут пересадки сердца. Многие из них будут ждать более шести месяцев, и для некоторых время закончится, прежде чем подойдет очередь на трансплантацию. Эти статистические данные иллюстрируют острую необходимость создания эффективных стратегий замещения сердечной ткани.
В отличие от других органов, которые в различной степени могут восстанавливаться после повреждений, сердце практически не обладает регенеративной способностью. Клетки сердца, погибшие в результате хронических заболеваний или инфаркта миокарда, замещаются фиброзным рубцом, который нарушает нормальное сокращение сердца. Современные технологии позволяют производить из стволовых клеток специфические для пациента кардиомиоциты, но копирование высоко структурированной архитектуры и сложной функциональности миокарда остается серьезной задачей.
Левый желудочек сердца перекачивает кровь по большому кругу кровообращения, сокращаясь в “скручивающем” движении. Это сокращение обеспечивается слоями кардиомиоцитов, ориентированных в одном направлении внутри каждого из слоев миокарда. Эти слои уложены друг на друга поперек стенки сердечной мышцы толщиной 1 см, каждый из которых ориентирован под углом по отношению к соседним слоям. Несмотря на то, что каждый кардиомиоцит сжимается в одном направлении, различное расположение каждого слоя кардиомиоцитов заставляет желудочек скручиваться, выдавливая кровь и заставляя ее течь по всему телу. Тканевые инженеры разработали различные методы выравнивания сердечных клеток в отдельных слоях, но не смоги воссоздать миокард достаточной толщины для использования в регенеративной терапии повреждений сердца.
В новом исследовании группа Дженнифер Льюис из Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете и Гарвардской школы инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона разработала комплекс технологий, которые позволили воссоздать многослойную архитектуру сократительных элементов сердца. Используя биопечать с плотно упакованными сократительными блоками (organ building blocks, OBB), состоящими из кардиомиоцитов, выращенных из человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, они смогли создать выровненные слои сердечной ткани со сложной архитектурой. Эти листы имеют такую же организацию и функциональность, как и естественная сердечная мышца.
Шаг за шагом
Исследование основано на платформе 3D-биопечати SWIFT, которая позволяет создавать конструкции сердечной ткани, имеющие высокую клеточную плотность, характерную для нормальной сердечной ткани. Этот подход позволяет решить важную проблему тканевой инженерии – введение сосудистой сети. Однако полученные тканевые конструкции не воспроизводили сложное расположение слоев человеческого миокарда.
Чтобы управлять направлением сократительной способности в сконструированных слоях сердечной ткани, исследователи сначала разработали стратегию программирования параллельного выравнивания стволовых клеток. Для этого они создали платформу с 1050 отдельными лунками, каждая из которых содержит два микростолбика. В лунки высевались стволовые клетки в смеси с фибробластами и коллагеном внеклеточного матрикса, которые необходимы для развития миокарда.
Когда клетки заполнили внеклеточный матрикс, они образовали плотную микроткань, в которой кардиомиоциты и их сократительные механизмы ориентированы вдоль оси, соединяющей микростолбики. Анизотропные OBB (aOBB), то есть те, которые сокращаются в одном направлении, затем снимаются с микростолбиков и используются в качестве сырья для изготовления плотных биочернил. Высокопроизводительный подход позволил генерировать беспрецедентное количество сократительных блоков aOBB.
Второй этап выравнивания – это сам процесс печати. Механические силы сдвига, создаваемые печатающей головкой принтера, воздействуют на aOBB, придавая им направленность. Группа ранее показала, что с помощью 3D-печати можно ориентировать в пространстве анизотропные мягкие материалы. Теперь она продемонстрировала, что этот принцип применим и к сердечным микротканям. Чтобы подчеркнуть универсальность процесса биопечати, исследователи напечатали листы сердечной ткани с линейной, спиральной и угловой геометрией, в которых сократительные aOBB демонстрировали необходимое выравнивание.
Группа также измерила сократительные способности сердечных конструкций, созданных из aOBB. Для этого были напечатаны длинные макрофиламенты, соединяющие два столбика, подобно стадии генерации OBB с использованием платформы микростолбиков, только в большем масштабе. Оценивая прогибы столбиков, исследователи могли определить сократительные силы, создаваемые макрофиламентами.
Исследователи обнаружили, что сила и скорость сокращения увеличивались в течение семи дней, доказав, что нити продолжают созревать в настоящие мышечные волокна. Следующим шагом группа планирует с помощью данного метода создать большее количество физиологических тканей.
Не только трансплантация
Конечной целью усилий по тканевой инженерии является трансплантация целого органа, но новый подход может быть использован и в менее масштабных задачах, например, для моделирования заболеваний или создания высокоорганизованных пластырей на миокард, которые будут восстанавливать сердце после перенесенного инфаркта миокарда или закрывать отверстия в перегородках у новорожденных с пороками сердца.
Статья J.Ahrens et al. Programming Cellular Alignment in Engineered Cardiac Tissue via Bioprinting Anisotropic Organ Building Blocks опубликована в журнале Advanced Materials.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» vechnayamolodost.ru по материалам Wyss Institute:
Getting to the heart of engineering a heart.
