Создание искусственных органов и тканей остаётся одной из самых сложных задач современной науки. Особенно трудно воспроизвести кровеносные сосуды — от крупных артерий и вен до микроскопических капилляров, через которые клетки крови проходят буквально по одной.
Некоторые капилляры имеют ширину всего около 0,005 миллиметра — они примерно в 34 раза тоньше человеческого волоса. При этом именно такие сосуды доставляют тканям кислород и питательные вещества. Без правильно организованного кровоснабжения выращенный в лаборатории орган не сможет нормально работать.
Исследователи из Массачусетского технологического института предложили новый способ управления ростом сосудов. Они использовали магнитные силы, чтобы осторожно растягивать клетки и направлять формирование новых капилляров.
Основой системы стал небольшой чип с эндотелиальными клетками, которые выстилают внутреннюю поверхность кровеносных сосудов. Клетки поместили в коллагеновый гель, имитирующий один из важнейших строительных материалов организма.
Внутри чипа находился крошечный магнит. Несколько внешних магнитов позволяли перемещать его в трёх измерениях и менять силу воздействия на клетки. Благодаря этому исследователи могли определять, как именно будут расти новые сосуды.
Изменяя силу магнитного притяжения, учёные контролировали количество и длину формирующихся сосудов. Особенно эффективным оказалось повторяющееся растягивание клеток вперёд и назад: при таком воздействии появлялось больше новых капилляров.
По словам исследователей, механические силы играют важную роль в организме. Теперь стало понятнее, как с их помощью можно выращивать больше или меньше сосудов, делать их короче или длиннее и направлять в определённую сторону.
Образование новых кровеносных сосудов называется ангиогенезом. Существующие лабораторные методы пока не позволяют достаточно точно контролировать этот процесс. Сосуды можно печатать на 3D-принтере или выращивать из отдельных клеток в питательной среде, но добиться упорядоченной сети удаётся не всегда.
Учёные также пытались направлять рост сосудов с помощью химических сигналов, например факторов роста. Однако такие сигналы сложно распределять с высокой точностью. Магнитное воздействие может стать дополнительным инструментом для создания тканей с заранее спроектированной системой кровоснабжения.
Исследователи проверили и механизм, благодаря которому клетки реагируют на растяжение. Для этого они повторили эксперимент с клетками, в которых был отключён ген PIEZO1.
Этот ген связан с работой ионных каналов, реагирующих на механическое давление и регулирующих движение веществ внутрь клетки и наружу. После отключения PIEZO1 новых сосудов образовалось меньше. Это показало, что активация таких каналов необходима для реакции клеток на магнитное растяжение.
Пока технология находится на ранней стадии. Учёным ещё предстоит проверить, насколько хорошо кровь сможет двигаться через созданные артерии, вены и капилляры.
Следующим шагом станет выращивание тканей вокруг полученной сосудистой сети. Сначала исследователи планируют изучить, как точное управление ростом сосудов может улучшить работу искусственно созданной мышечной ткани.
Исследование опубликовано в журнале PNAS.
