Ткани сердца, в отличие от других органов, не способны регенерировать, поэтому биоинженеры различных лабораторий стремятся создать цельное сердце для трансплантации. Для этого сначала они должны воспроизвести уникальную микроструктуру миокарда, включая спиральную геометрию, которая обеспечивает скручивающее движение во время сердечного сокращения. Долгое время предполагалось, что это скручивание дает наибольший толчок для перекачивания крови, но доказать это было сложно, отчасти потому, что создание сердец со сложной архитектурой было невозможно.
Исследовательская группа из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук им. Джона Полсона (SEAS) разработала первую биогибридную модель желудочков человеческого сердца со спирально расположенными кардиомиоцитами и показала, что такое положение мышечных клеток значительно увеличивает количество крови, которое желудочек может вытолкнуть при сокращении.
Схема спирального расположения кардиомиоцитов.
Это стало возможным благодаря новому методу производства тканей – сфокусированному круговому струйному распылению (Focused Rotary Jet Spinning, FRJS), который помог создать спирально ориентированные полимерные волокна диаметром от нескольких микрометров до сотен нанометров.
На первой стадии FRJS напоминает производство сахарной ваты: жидкий полимерный раствор загружается в резервуар и выталкивается через тонкое отверстие центробежной силой при вращении устройства. Когда раствор покидает резервуар, растворитель испаряется, и полимеры затвердевают, образуя волокна. Затем сфокусированный воздушный поток управляет ориентацией волокон по мере их осаждения на коллектор. Группа обнаружила, что при наклоне коллектора волокна в потоке будут закручиваться вокруг него по ходу вращения, имитируя спиральную структуру миокарда. Человеческое сердце состоит из нескольких слоев спирально расположенных кардиомиоцитов с разными углами наклона. Ориентацию волокон можно менять, изменив угол наклона коллектора.
Двухкамерная модель сердца.
В отличие от 3D-печати, которая замедляется по мере уменьшения размеров элементов, FRJS может быстро прясть волокна в масштабе одного микрона.
Вторым этапом желудочки засевали крысиными кардиомиоцитами или кардиомиоцитами, выращенными из стволовых клеток человека. Примерно через неделю каркас покрылся несколькими тонкими слоями сокращающейся ткани, а клетки повторяли направление полимерных волокон. Бьющиеся желудочки имитировали те же самые скручивающие движения, которые характерны для человеческого сердца.
Исследователи сравнили сокращения, скорость передачи электрических импульсов и фракцию выброса между желудочками, изготовленными из спирально выровненных волокон, и желудочками, изготовленными из волокон, расположенных прямо. Они обнаружили, что в каждом эксперименте спирально выровненная ткань превосходила контроль.
Группа продемонстрировала, что производство может быть масштабировано до размера реального человеческого сердца и даже больше, но они не засевали клетками большие модели, поскольку для этого потребовались бы миллиарды кардиомиоцитов.
Статья H.Chang et al. Recreating the heart’s helical structure-function relationship with focused rotary jet spinning опубликована в журнале Science.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» vechnayamolodost.ru по материалам Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences: A major step forward for organ biofabrication.
