Vytváření umělých orgánů je „svatým grálem“ regenerativní medicíny. Potřebujeme náhrady poškozených orgánů a způsoby léčby nemocí. Biologie je však složitý proces. Vypěstovat srdce v Petriho misce je složitější, než se na první pohled zdá. To platí zejména pro oběhový systém.
Cévy. Nebo spíše kapiláry.
Tato mikroskopická vlákna jsou životně důležitá. Dodávají kyslík a živiny. Bez nich tkáň pěstovaná v laboratoři odumírá. Problém je, že jsou příliš malé. Průměr kapilár je pouze 0,005 mm. Jsou 34krát tenčí než lidský vlas. Červené krvinky jimi nemohou procházet v řadě – pohybují se přísně jeden po druhém.
Po léta se vědci pokoušeli konstruovat takové sítě s vysokou přesností. Chemické signály rozhodně pomáhají. Na Petriho misku lze aplikovat růstové faktory. Ale chemikálie difundují (šíří se). Je to nejisté. Streamování ve vysokém rozlišení nelze ovládat.
Nyní výzkumníci z Massachusetts Institute of Technology (MIT) nabízejí nový nástroj. Magnety.
Ve studii publikované v časopise PNAS tým popisuje, jak využívají magnetické síly k roztahování a vedení buněk krevních cév do specifických tvarů. Není to magie. Tohle je mechanika.
Mechanika angiogeneze pomocí magnetů
Nastavení vypadá jednoduše, ale vyžaduje přesné inženýrství.
Představte si mikročip. Uvnitř jsou endoteliální buňky (buňky, které vystýlají krevní cévy) suspendovány v kolagenovém gelu. Kolagen je hlavní strukturální bílkovina těla. Poskytuje rámec. Uvnitř této směsi je malý magnet.
Z vnější strany je čip obklopen vnějšími magnety. S těmito vnějšími poli lze manipulovat ve třech rozměrech.
“Schopnost programovat růst krevních cév pomocí fyzických podnětů by mohla umožnit reprodukovatelnou a škálovatelnou produkci.”
— Ritu Raman, strojní inženýr na MIT
Funguje to takto: vnější magnety přitahují vnitřní magnet. Toto napětí se přenáší do buněk. Vědci protahují vyvíjející se síť krevních cév tam a zpět.
Tato mechanická síla spouští biologickou odpověď. Podporuje tvorbu nových kapilár.
“Takže potřebujeme jiné druhy vzorovaných signálů, které nám pomohou vytvořit tkáně s uspořádanými cévami,” říká Raman. Chemické vzory jsou příliš rozmazané. Magnetická přitažlivost je cílená.
Jak mechanické síly stimulují růst
Tým nepředpokládal, že to bude fungovat. Studovali mechanismus.
Tvorba krevních cév se nazývá angiogeneze. Vědci vědí, že tento proces ovlivňuje mechanický tlak. Ale jak přesně?
Ke zjištění použili buňky postrádající gen PIEZO1. Tento gen kóduje iontové kanály. Představte si brány: reagují na fyzický tlak.
Když byl odstraněn gen PIEZO1, vytvořilo se výrazně méně krevních cév. Rozdíl byl zřejmý. To potvrzuje, že aktivace iontových kanálů je kritická. Buňky cítí magnetickou přitažlivost. Reagují. Rostou.
Úpravou síly magnetického pole vědci kontrolovali výsledky. Chcete kratší plavidla? Změňte napětí. Chcete delší? Zvyšte to. Chcete více poboček? Změňte směr.
Toto je úroveň kontroly, kterou předchozí metody nemohly poskytnout.
3D tisk pomáhá, ale často neposkytuje potřebnou buněčnou integraci pro funkční tkáň. Chemický výsev je pasivní. Magnetické ovládání je aktivní.
Proč je to důležité pro umělé orgány?
Jsme stále v raných fázích tohoto procesu. Prototypová fáze. První výsledky jsou však slibné.
Cíl je jasný. Implantovatelné tkáně. Umělé orgány, které obnovují funkci po úrazu nebo nemoci.
Ale umělé srdce bez krevního zásobení je jen kostka masa. Potřebuje perfuzi. Potřebuje průtok krve.
Ramanův tým zdůrazňuje, že zdravé tkáně závisí na organizovaných vaskulárních sítích. Zde moderní protokoly často selhávají. Vytvářejí buňky, ale ne strukturu.
Tento nový přístup tuto mezeru zaplňuje. Nabízí způsob, jak vytvořit tkáně, které nejsou jen biokompatibilní, ale funkčně životaschopné.
Dalším krokem není jen růst. Funkce.
Nyní vědci otestují průtok krve. Potřebují zjistit, zda vytvořené tepny a žíly pumpují. Dodávají kapiláry kyslík pod tlakem? Začínají svalovou tkání.
“Nyní studujeme, jak přesné vzorování cévního růstu může pomoci zlepšit svalovou funkci,” říká bioinženýrka Jessica Shah.
Představte si úsek srdečního svalu, který se hojí díky vlastnímu okamžitému prokrvení. Nebo kožní štěpy, které se integrují okamžitě, protože jsou již vaskularizované.
Fyzika je spolehlivá. Biologie potvrzena. Magnety táhnou.
Ale bude to škálovatelné? Je možné takto postavit celou ledvinu? Nebo jen jeho cévnatý strom?
Odpověď nespočívá v magnetech. Je v dalším kole experimentů. Průtok krve. Skutečná perfuze. Živá tkáň.
Jsme blíž k cíli. Ale kapilární sítě jsou stále mikroskopické. A biologie, navzdory všem našim nástrojům, zůstává tvrdošíjně složitá.
