Magnetai tiksliai formuoja smulkias kraujagysles audiniuose

Mažas magnetas, kolageno gelis ir plokštelės dydžio lustas atlieka netikėtą darbą: jie išdėsto gyvas kraujagysles su tokia precizika, kurios audinių inžinieriai siekė dešimtmečiais. Mažos kapiliarinės kraujagyslės, vedančios deguonį ir maistines medžiagas per audinius, tokios smulkios, kad raudonieji kraujo kūneliai dažnai praeina vienas po kito, yra ypač sunkiai atkartojamos laboratorijoje. Šis naujas metodas naudoja kontroliuojamą magnetinį tempimą, kad skatintų endotelio ląsteles formuoti tvarkingus kraujagyslių tinklus.

Skamba beveik kine. Prietaisas talpina endotelio ląsteles kolageno terpėje, kuri veikia kaip organizmo natūrali atrama. Mikro-magnetas yra įterptas į gelį. Išoriniai magnetai traukia ir stumia šį mažą magnetą trijose dimensijose, tempdami aplinkinį matricą ir ląsteles joje. Pakeiskite traukimo pobūdį ir pakeisite kraujagyslių raštą: daugiau indų, mažiau indų, ilgesnės sruogos arba trumpesnės šakos. MIT komanda parodė, kad jie gali reguliuoti šiuos parametrus keičiant magnetinio traukimo stiprumą ir ritmą, net testuodami pakaitinius traukimus dažniais, pavyzdžiui, 1 ir 15 Hz, kad ištirtų, kaip dinamika veikia augimą.

Dirbtinės kraujagyslės buvo sukurtos mechaninio tempimo būdu.

Kodėl tai svarbu? Nes organai ir dirbtiniai audiniai gyvena arba žūsta priklausomai nuo kraujotakos. Be vidaus „santechnikos“ sistemos, tai yra arterijų, venų ir kapiliarų, išdėstytų tinkamu tankiu ir kryptimi, laboratorijoje sukurto audinio ląstelės išalksta. Cheminės signalizacijos ir 3D spausdinimas buvo naudingi, bet dažnai nepajėgia atkurti natūralios angiogenezės smulkios choreografijos. Paaiškėjo, kad mechaniniai signalai yra galingas, programuojamas svertas.

Yra ir biologinis posūkis. Tyrėjai išbandė ląsteles, neturinčias PIEZO1 geno, kuris koduoja mechanosensyvinį jonų kanalą, kurį galima įsivaizduoti kaip vartus, atsidarančius, kai ląstelės membrana jaučia slėgį. Kai PIEZO1 buvo išjungtas, magnetinis tempimas sukėlė mažiau naujų kapiliarų, rodydamas, kad augimo atsakas priklauso nuo ląstelių gebėjimo justi jėgą. Trumpai tariant: fizika paruošia sceną, ląstelės užfiksuoja signalą ir veikia.

Šis magnetinis metodas yra adaptacija technikų, kurias ta pati grupė naudojo dirbtiniams raumenims ir nervams modeliuoti. Tačiau kraujagyslių nukreipimas kelia sudėtingesnę problemą. Kapiliarai yra keliais dydžių laipsniais plonesni už žmogaus plauką, tai milimetrų dalys, kurios turi susijungti per audinio karkasą ir leisti kraujui tekėti be krešėjimo ar pratekėjimo. MIT vadovaujama komanda savo rezultatus paskelbė PNAS, ir jų duomenys rodo, kad magnetinė choreografija padidina tiek naujų indų skaičių, tiek ilgį, palyginti su statiniais kontroliniais pavyzdžiais.

Tyrėjai išmatuojo dirbtinių kraujagyslių skaičių ir ilgį, augintų veikiant pakaitiniams magnetams (1 ir 15 Hz), palyginti su netestuotomis ląstelėmis ir statiniais kontroliniais pavyzdžiais.

Praktinių kliūčių vis dar yra. Kol kas eksperimentuose stebimi indų skaičiai ir geometrinė struktūra. Kitas žingsnis yra funkcionalumas: ar šiuos kanalus galima perfuzuoti krauju arba kraujo pakaitalais? Ar jie gali integruotis su inžineriniais raumenimis ar kitais audiniais ir iš tiesų pagerinti funkciją? Ankstyvi darbai jau vykdomi, apvyniojant laboratorijoje užaugintus raumenis aplink magnetiškai suformuotas kraujagysles, kad būtų ištirta, ar raumenų ląstelės geriau išgyvena ir susitraukia, kai jas aprūpina parinkta mikrovaskuliacija.

Padariniai yra dideli, bet realistinės. Tai nėra greitas kelias per naktį gaminti visus organus. Tai, vis dėlto, naujas įrankis vaskulinei inžinerijai, pridedantis fizinį modeliavimą prie cheminių ir spausdinimo metodų, kuriuos komandos jau naudoja. Įsivaizduokite, kad nurodote audinių augimą taip, kaip dirigentas formuoja orkestrą: kai kurios sekcijos sustiprėja, kitos nurimsta, o ansamblis sukuria kažką didesnio nei atskirų dalių suma.

Mechaninės jėgos nėra tik atsitiktinės; jos yra programuojama kalba, leidžianti kurti audinius su organizuotomis kraujagyslėmis.

Jei magnetais valdomas augimas toliau pasirodys patikimas ir saugus, per ateinantį dešimtmetį galime sulaukti implantų ir persodinimų su vidine „santechnika“, pagaminta pagal užsakymą. Tai pakeistų, kaip taisome organus, gydome sužeidimus ir galbūt kaip chirurgai planuoja rekonstrukcijas, kai fizika ir biologija veikia kartu, kad vėl prisiūti gyvybę.