Пористий полімерний каркас дозволив мишам ефективніше наростити м'язові клітини

Біологи та матеріалознавці запропонували використовувати пористий біосумісний матеріал як каркас у тканинній інженерії. Попередники м'язових клітин, які прикріпили до каркаса з пористих волокон полікапролактону, добре розвивалися і формували м'язову тканину в мишах. М'язові «латки», побудовані за такою технологією, допомогли тваринам подолати травму і втрату великого обсягу м'яза. Робота опублікована в.

В результаті травм, інфекційних захворювань або операційного видалення пухлин пацієнти можуть втратити досить об'ємні ділянки м'язової тканини. Лікування передбачає хірургічне втручання: на пошкоджене місце пересідають клаптики м'язів цієї ж людини. Така процедура, відповідно, вимагає додаткової операційної ділянки на тілі людини, що досить болісно. Крім того, такий підхід не завжди призводить до ефективного відновлення м'язових функцій та іннервації пересадженої тканини.

Пересаджувати міогенні клітини-попередники представляється більш обіцяною стратегією. Такі клітини можна отримати в лабораторії з фібробластів - клітин сполучної тканини. Для цього достатньо простимулювати їх сигнальними молекулами (транскрипційними факторами), властивими для клітин м'язової тканини.

Щоб пересаджені клітини утворювали справжні м'язи, необхідно точно контролювати їх розташування і напрямок росту. Для цього можна вставляти клітини в синтетичний каркас, який відтворює властивості природного «скелета» тканини - позаклітинного матриксу - і утворює 3D-конструкції, схожі на природну м'язову тканину. Однак, на відміну від природного позаклітинного матриксу, у синтетичних каркасів часто не вистачає специфічних місць впізнавання для клітин, і в результаті клітини погано зв'язуються з ним.

У результаті спільного дослідження вчені з університету Йонсе і Массачусетського технологічного інституту під керівництвом Синву Чо (Seung-Woo Cho) і Поліни Анікеєвої (Polina Anikeeva) запропонували використовувати гібридну конструкцію, утворену позаклітинним матриксом, синтетичним каркасом з матеріалу полікапролактону і м'язовими клітинами-попередниками.

Спочатку дослідники приготували волокна з полікапролактону в двох варіантах: з порами і без них. Композитні листи з полікапролактону з кристалами хлориду натрію скочували в трубочки товщиною в 50 мікрометрів і висушували. Оскільки кристали солі діаметром у 25-30 мікрометрів не могли повністю вміститися в листі полікапролактону, при висушуванні вони утворювали пори. У процесі сушіння товщина полікапролактону ставала ще тоншою (близько 45 мікрометрів).

Потім вчені отримали звільнений від клітин позаклітинний матрикс зі свинячих м'язів: у м'язовій тканині розщепили клітини за допомогою поверхнево-активної речовини лаурилсульфата натрію, в результаті чого вдалося видалити 97,4 відсотків клітин. У матриксі залишилися такі компоненти, як колаген, протеогликани і глікопротеїни.

Після вимочування синтетичних волокон і листів у розчині такого позаклітинного матриксу (п'ять міліграм на мілілітр), за допомогою мікроскопії на поверхні пористого полікапролактону виявили сітчасту структуру. Позаклітинний матрикс успішно прикріпився до каркасу.

Щоб перевірити біосумісність, дослідники імплантували полікапролактоновий каркас з позаклітинним матриксом на ньому мишам. Через три дні і два тижні автори роботи провели гістологічний аналіз, в результаті якого не виявили некрозу або запальної відповіді організму в районі імпланта. Далі дослідники перейшли безпосередньо до створення м'язових імплантів. М'язові клітини-попередники посадили на синтетичні волокна і листи з полікапролактону. На пористому каркасі у вигляді волокон клітини стали рости впорядковано, а це дуже важливо для регенерації м'язової тканини.

Ефективність подібних штучних м'язів автори роботи перевірили також на мишах, у яких попередньо видалили 75 відсотків чотириголового м'яза стегна. Відновитися без операційного втручання від такої травми неможливо. Потім вчені імплантували на місце пошкодження конструкції з волокнистого або листового каркасу і м'язовими клітинами-попередниками. Як контрольну групу використовувалися миші, яким як імплант дістався каркас без клітин на ньому. Також була група тварин, у яких міогенні клітини посадили не на полікапролактоновий каркас, а в гель. Через чотири тижні після імплантації дослідники спостерігали перші ознаки регенерації тканин у всіх групах, крім контрольної і у мишей з імплантом на гелевому каркасі. На волокнистому полікапролактоні виросли міотрубочки і м'язові волокна, а на аркушах в основному з'явилися немишкові клітини. Гарним результатом також стала іннервація тканин і поява в них судин. Через десять тижнів на волокнистому каркасі утворилися зрілі м'язові волокна. На листовій основі з'явилася суміш зрілих і зростаючих волокон, а в контрольній групі лише відкладення жиру.

Наприкінці роботи вчені протестували, наскільки біоінженерні м'язи допомогли мишам відновити рухові функції кінцівок. Дослідники вимірювали довжину кроку тварин, силу хвата лап і максимальну швидкість обертального стрижня, при якій може на ньому утриматися (за аналогією з обертовими барабанами на дитячих майданчиках, тільки миші бігають по ньому всіма чотирма лапами). Через три тижні після імплантації, ці показники ще були знижені в порівнянні з отриманими до травми, а до п'ятого тижня довжина кроку вже почала збільшуватися. Імпланти на м'язовому каркасі допомогли мишам утримуватися на тренажері, який обертався зі швидкістю 10 обертів на хвилину, в 1,31-0,27 разів довше, ніж до травми. Миші, у яких пошкоджень не було, демонстрували схожий результат - в 1,33 - 0,32 рази довше. Таким чином, гібридна конструкція, запропонована авторами, допомагала мишам відновитися після серйозної травми.

Технології тканинної інженерії вже знаходять своє застосування в медицині. Наприклад, у США на каркасі з колагену вирощують шкіру для солдатів, щоб лікувати опіки. Крім того, за допомогою тканинної інженерії вчені сподіваються отримувати деревину як промисловий матеріал у поживному розчині і гелевому каркасі, не вирощуючи дерева.