Идея выращивать заместительную ткань для восстановления органа, или для полной его замены, становится все ближе к реальности, нежели к научной фантастике.
Технологии тканевого инжиниринга совершенствуются в способности генерировать трехмерные массы клеток с сосудистыми системами для поддержания жизни, однако требуется более точный математический подход для проектирования таких тканей.
Исследователи из Пенсильванского университета, университета Брауна и университета Цюриха провели ряд экспериментов, чтобы развить динамическую модель усилий, которые растягивают растущую ткань. Эта модель впервые учитывает все эффекты сложной взаимосвязи клеточных молекулярных моторов, которые способны реагировать на внешний стресс более интенсивным натяжением, что в итоге приводит к разрыву ткани.
Результаты опубликованы в издании Proceedings of The National Academy of Sciences.
«Насущная тема в регенеративной медицине касается того, что ткани и клетки способны менять свои свойства и поведение, например, делиться ли им, основанные на биохимических и механических сигналах», сообщил профессор Вивек Шеной. „Наша цель заключается в том, чтобы обеспечить всестороннее понимание некоторых таких сигналов, чтобы построить более точные модели для предсказания поведения выращенных в лаборатории тканей“.
Сигналы, так заинтересовавшие исследователей, связаны с тем, как ткани растягивают себя и свою окружающую среду. Большая часть подобной активности имеет место благодаря миозину. Миозин — молекулярный моторный белок, который помогает мышцам сокращаться и присутствует в большинстве типов клеток, поскольку способствует их делению и взаимному сцеплению.
Чтобы детализировать понимание роли миозина в стабильности ткани, исследователи провели ряд физических экспериментов, выращивая образцы сердечной ткани с разными механическими ограничениями, химически меняя активацию миозина.
Ученые применили быстрое прототипирование, чтобы создать среду в форме собачьей кости для выращивания внутри нее ткани. Форма — двухколечные витки, соединенные узким мостком — была идеальной для проверки механических свойств клеток, поскольку она стимулировала их растягиваться вместо сокращения.
Также ученые разметили клетки флуоресцентными веществами, чтобы измерить степень, до которой они растянутся. Ученые видели, что в середине «кости» клетки росли в 30 раз дольше, чем обычно: этот фактор привел к окончательному упадку ткани.
«В течение примерно 30 часов клетки тянут друг друга, пока кость не рвется посередине. Подобный процесс впоследствии происходит в каждом из колец», сказал Шеной. „Нельзя держать ткань в такой форме и сохранять ее стабильность. Она обязательно растянется, из-за миозина в клетках, что приведет к значительной морфологической нестабильности“.
Исследователям известно, что миозин отвечает за данную нестабильность, поскольку, когда они обработали образцы ткани препаратом, который блокирует активность белка, ткани не разрывались. А вот белок, который ответственен за рубцевание и прогрессию опухоли, производит на миозин обратный эффект, вызываю более быстрое разрушение ткани.
Исследователи применили различные экспериментальные настройки, чтобы испытать другой фактор, способный повлиять на активность миозина: насколько прочно клетки способны растягивать их среду. В этом наборе экспериментов исследователи натянули сердечные ткани между двумя гибкими стержнями и измерили силу натяжения ткани, наблюдая за тем, насколько согнулись стержни.
Как и в предыдущем случае, естественно выращенные ткани разорвались за считанные часы. Но изменяя жесткость стержней, или увеличивая объем коллагена — ключевого компонента внеклеточной матрицы, которая удерживает ткани вместе и определяет, насколько они способны растягиваться, ученые обнаружили, что способны увеличить долговечность тканей.
«В эксперименте с контролируемым объемом коллагена, который обычно присутствует в сердце, мы обнаружили, что тканевый мост разделяется только за три дня», сказал Шеной. „С увеличением объема коллагена или снижением жесткости стержней ткани становятся еще более стабильными“.
«Миозин в клетках натягивает актиновые нити, прикрепленные к внутренним стенкам клеточных мембран, однако если клетки закрепить, уровень сокращения снизится в итоге до нуля. Таково изометрическое натяжение в действии», добавил он.
С определенными количественно факторами Шеной и коллеги сумели построить всестороннюю модель механического отказа, когда клетки растягивают друг друга. Модель оказалась способна решить давнюю задачу, обнаруженную в предыдущих моделях: все молекулярные компоненты клетки предполагают, что она должна работать как усиливающий натяжение материал, который становится жестче, когда натягивается.
«Эти предыдущие модели были пассивными, и учитывали все компоненты клеток, но не принимали во внимание динамическую роль миозина», пояснил Шеной. „И вот теперь мы построили модель с учетом всех трех механических факторов — межклеточного взаимодействия, роли внеклеточной матрицы и активного элемента миозина, которая позволит нам лучше понять источники нестабильности“.
Новая модель помогла ученым сгенерировать фазовую диаграмму растущей ткани, которая показала, где взаимодействие трех факторов произведет ткань, которая не сможет растянуться.
«Эта модель окажется полезной в определении геометрических форм для выращивания искусственных тканей, что позволит перераспределить напряжение трех факторов, чтобы добиться стабильности», отметил Шеной. „Например, стабильными могут оказаться соты, причем не менее важным окажется наличие каналов для распространения питательных веществ во все клетки. Наша модель помогла бы нам выяснить идеальный интервал и диаметры отверстий“.
Новый уровень понимания также применим к морфогенезу — стадии эмбрионального развития, на которой клетки начинают дифференцироваться в разные части организма. В процессе морфогенеза прежде однородные клеточные массы начинают производить высоколокализованные различия, включая объем напряжения в клетках в местах, где они насаживаются друг на друга. Понимание этих сигналов позволит тканевым инженерам лучше прогнозировать или даже манипулировать тем, какой тип ткани получится из дифференцирующихся клеток.
