В ходе разработки, которая может привести к более быстрым и эффективным испытаниям токсичности химических веществ в воздухе, ученые из Университета Райса и дочерней компании Rice Nano3D Biosciences использовали магнитную левитацию для выращивания некоторых из наиболее реалистичных легочных тканей, когда-либо созданных в лаборатории.
Исследование является частью международной тенденции в биомедицинской инженерии, направленной на создание лабораторных методов выращивания тканей, которые практически идентичны тканям, обнаруживаемым в человеческих телах. В новом исследовании ученые объединили четыре типа клеток, чтобы воспроизвести ткань стенки бронхиолы глубоко внутри легкого.
Исследование доступно в Интернете и планируется к публикации в следующем выпуске журнала Tissue Engineering Part C: Methods.
"Одна из уникальных особенностей технологии магнитной левитации заключается в том, что она позволяет нам перемещать клетки и располагать их так, как мы хотим для определенных типов тканей," сказал соавтор исследования Том Киллиан, профессор и заведующий кафедрой физики и астрономии в Райс. "Это первый раз, когда кто-либо расположил эти четыре типа клеток таким же образом, как они находятся в легочной ткани."
Лабораторные испытания in vitro исторически проводились на двумерных клеточных культурах, выращенных в плоских чашках Петри, но ученые все больше осознают, что клетки в плоских культурах иногда ведут себя и взаимодействуют иначе, чем клетки, погруженные в трехмерную ткань.
Киллиан и его коллеги из Райса и онкологического центра доктора Андерсона Техасского университета стали соучредителями Nano3D Biosciences в 2009 году после создания технологии, которая использует магнетизм для левитации и выращивания трехмерных клеточных культур. Технология основана на инертных, нетоксичных магнитных наночастицах, которые вставляются в живые клетки. Затем исследователи могут использовать магниты для подъема и приостановки клеток по мере их роста и деления.
"Выращивание реалистичных легочных тканей in vitro – особая проблема," сказал соавтор исследования Джейн Гранде-Аллен, профессор биоинженерии в Rice. "Существует ряд технических препятствий, и научные финансовые агентства уделяют особое внимание легочной ткани, потому что это может принести большую выгоду с точки зрения снижения затрат на фармацевтические и токсикологические испытания."
Nano3D Biosciences выиграла грант на исследование инноваций малого бизнеса (SBIR) от Национального научного фонда (NSF) в 2011 году на создание четырехслойной легочной ткани из эндотелиальных клеток, гладкомышечных клеток, фибробластов и эпителиальных клеток.
Глауко Соуза, главный научный сотрудник и соучредитель компании, сказал, что проект стал активным, когда аспирант по биоинженерии Райс Хуберт Ценг присоединился к исследовательской группе в качестве стажера. Ценг уже учился в лаборатории Гранд-Аллена, одной из ведущих лабораторий Райс в области тканевой инженерии.
"Опыт Хьюберта и Джейн в тканевой инженерии был неоценим для решения этой проблемы," Соуза сказал.
Еще одно сотрудничество, которое принесло большие плоды, – это партнерство с группой студентов бакалавриата Rice’s Oshman Engineering Design Kitchen. Команда студентов, «Клетки в 3-D», работала над магнитной ручкой, которую можно было использовать для захвата, перемещения и объединения намагниченных 3-D клеточных культур. Соуза сказал, что Ценг использовал версию этого инструмента для создания слоистых тканей бронхиол для этого нового исследования.
Ценг сказал, что новая ткань больше похожа на естественную ткань бронхиол, чем на любую другую ткань, созданную в лаборатории.
"Мы провели ряд тестов, и ткань имеет такую же биохимическую подпись, что и нативная ткань," Ценг сказал. "Мы также использовали первичные клетки, а не сконструированные клетки, что важно для токсикологического тестирования, поскольку первичные клетки максимально соответствуют нативным клеткам."
Соуза сказал, что ткань бронхиолы может решить еще одну проблему, которая часто встречается при тестировании токсичности переносимых по воздуху агентов.
"При использовании традиционных двумерных культур очень сложно культивировать клетки на границе раздела воздух-жидкость, что вы бы предпочли для тестирования токсичности," он сказал. "С помощью нашей технологии мы можем легко поднять ткань бронхиолы к границе раздела воздух-жидкость, чтобы токсины, переносимые по воздуху, попадали в эпителиальный слой ткани, как это происходит в легких."
Гранде-Аллен сказала, что Ценг и другие члены ее группы уже использовали те же методы, которые были впервые применены в исследовании бронхиол, для производства ткани сердечного клапана; Соуза сказал, что NSF предоставил компании второй этап финансирования SBIR для дальнейшего развития техники для других типов тканей.