Tworzenie sztucznych narządów to „Święty Graal” medycyny regeneracyjnej. Potrzebujemy zamienników uszkodzonych narządów i sposobów leczenia chorób. Biologia to jednak skomplikowany proces. Hodowla serca na szalce Petriego jest trudniejsza, niż się wydaje na pierwszy rzut oka. Dotyczy to szczególnie układu krążenia.
Naczynia krwionośne. A raczej naczynia włosowate.
Te mikroskopijne nici są niezbędne. Dostarczają tlen i składniki odżywcze. Bez nich tkanka wyhodowana w laboratorium obumiera. Problem w tym, że są za małe. Średnica kapilar wynosi zaledwie 0,005 mm. Są 34 razy cieńsze od ludzkiego włosa. Czerwone krwinki nie mogą przechodzić przez nie w rzędzie – poruszają się ściśle pojedynczo.
Naukowcy od lat próbują konstruować takie sieci z dużą precyzją. Sygnały chemiczne zdecydowanie pomagają. Czynniki wzrostu można nałożyć na szalkę Petriego. Ale chemikalia rozprzestrzeniają się (rozprzestrzeniają). To niepewne. Nie można kontrolować przesyłania strumieniowego w wysokiej rozdzielczości.
Teraz naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) oferują nowe narzędzie. Magnesy.
W badaniu opublikowanym w czasopiśmie PNAS zespół opisuje, w jaki sposób wykorzystują siły magnetyczne do rozciągania i nadawania komórkom naczyń krwionośnych określonych kształtów. To nie magia. To jest mechanika.
Mechanika angiogenezy z wykorzystaniem magnesów
Konfiguracja wygląda na prostą, ale wymaga precyzyjnej inżynierii.
Wyobraź sobie mikrochip. Wewnątrz komórki śródbłonka (komórki wyściełające naczynia krwionośne) są zawieszone w żelu kolagenowym. Kolagen jest głównym białkiem strukturalnym organizmu. Zapewnia ramy. Wewnątrz tej mieszanki znajduje się mały magnes.
Z zewnątrz chip otoczony jest zewnętrznymi magnesami. Tymi polami zewnętrznymi można manipulować w trzech wymiarach.
„Możliwość programowania wzrostu naczyń krwionośnych za pomocą sygnałów fizycznych może umożliwić powtarzalną i skalowalną produkcję”.
— Ritu Raman, inżynier mechanik w MIT
Oto jak to działa: magnesy zewnętrzne przyciągają magnes wewnętrzny. To napięcie jest przekazywane do komórek. Naukowcy rozciągają rozwijającą się sieć naczyń krwionośnych tam i z powrotem.
Ta siła mechaniczna wyzwala reakcję biologiczną. Nasila powstawanie nowych naczynek włosowatych.
„Potrzebujemy więc innych rodzajów wzorzystych sygnałów, które pomogą nam stworzyć tkanki z uporządkowanymi naczyniami” – mówi Raman. Wzory chemiczne są zbyt rozmyte. Celem jest przyciąganie magnetyczne.
Jak siły mechaniczne stymulują wzrost
Zespół nie tylko zakładał, że to zadziała. Przestudiowali mechanizm.
Tworzenie naczyń krwionośnych nazywa się angiogenezą. Naukowcy wiedzą, że ciśnienie mechaniczne wpływa na ten proces. Ale jak dokładnie?
Aby się tego dowiedzieć, wykorzystali komórki pozbawione genu PIEZO1. Gen ten koduje kanały jonowe. Wyobraź sobie bramy: reagują na nacisk fizyczny.
Po usunięciu genu PIEZO1 powstało znacznie mniej naczyń krwionośnych. Różnica była oczywista. Potwierdza to, że aktywacja kanałów jonowych ma kluczowe znaczenie. Komórki czują przyciąganie magnetyczne. Reagują. Rosną.
Dostosowując siłę pola magnetycznego, naukowcy kontrolowali wyniki. Chcesz krótsze statki? Zmień napięcie. Chcesz dłuższe? Zwiększ to. Chcesz więcej oddziałów? Zmień kierunek.
Jest to poziom kontroli, którego nie mogły zapewnić poprzednie metody.
Druk 3D pomaga, ale często nie zapewnia niezbędnej integracji komórkowej tkanki funkcjonalnej. Zasiew chemiczny jest pasywny. Sterowanie magnetyczne jest aktywne.
Dlaczego jest to ważne w przypadku sztucznych narządów?
Wciąż jesteśmy na wczesnym etapie tego procesu. Etap prototypu. Pierwsze wyniki są jednak obiecujące.
Cel jest jasny. Wszczepialne tkanki. Sztuczne narządy przywracające funkcję po urazie lub chorobie.
Ale sztuczne serce bez dopływu krwi to tylko kostka mięsa. Potrzebuje perfuzji. Potrzebuje przepływu krwi.
Zespół Ramana podkreśla, że zdrowe tkanki zależą od zorganizowanych sieci naczyniowych. W tym miejscu nowoczesne protokoły często zawodzą. Tworzą komórki, ale nie strukturę.
To nowe podejście wypełnia tę lukę. Oferuje sposób na tworzenie tkanek, które są nie tylko biokompatybilne, ale i funkcjonalnie wykonalne.
Następny krok to nie tylko wzrost. Funkcja.
Teraz naukowcy zbadają przepływ krwi. Muszą sprawdzić, czy utworzone tętnice i żyły pompują. Czy kapilary dostarczają tlen pod ciśnieniem? Zaczynają od tkanki mięśniowej.
„Obecnie badamy, jak precyzyjne modelowanie wzrostu naczyń może pomóc w poprawie funkcjonowania mięśni” – mówi bioinżynier Jessica Shah.
Wyobraź sobie część mięśnia sercowego, która goi się dzięki własnemu, natychmiastowemu dopływowi krwi. Lub przeszczepy skóry, które integrują się natychmiast, ponieważ są już unaczynione.
Fizyka jest niezawodna. Biologia potwierdzona. Magnesy przyciągają.
Ale czy będzie to skalowalne? Czy da się w ten sposób zbudować całą nerkę? A może po prostu drzewo naczyniowe?
Odpowiedź nie leży w magnesach. Jest w trakcie kolejnej rundy eksperymentów. Przepływ krwi. Prawdziwa perfuzja. Żywa tkanka.
Jesteśmy bliżej celu. Jednak sieci kapilarne są nadal mikroskopijne. A biologia, pomimo wszystkich naszych narzędzi, pozostaje uparcie złożona.
