Биоинженеры из Университета Юты показали, что крошечные кровеносные сосуды лучше растут в лаборатории, если окружающая их ткань менее плотна. Затем исследователи создали компьютерную симуляцию для точного прогнозирования такого роста – ранний шаг к лечению, обеспечивающему кровоснабжение тканей, поврежденных диабетом и сердечными приступами, а также кожных трансплантатов и имплантированных связок и сухожилий.
Лучше понимая механическую роль, которую плотность окружающей ткани играет в формировании сосудов, биоинженеры могут подготовить "преваскуляризированный" имплантируемые ткани, уже оснащенные кровеносными сосудами, соответствующими структуре кровеносных сосудов пациента.
"Для успешного лечения вы должны создать кровеносные сосуды, соответствующие структуре кровеносных сосудов хозяина, иначе вы не сможете обеспечить надлежащую терапию," Эдгар говорит.
Биоинженерные сосуды для имплантатов, диабет, сердечный приступ
Новое исследование в конечном итоге направлено на создание замещающих тканей с их собственным кровоснабжением, которые можно было бы использовать для лечения различных заболеваний – вероятно, через пять, а то и через десять лет, говорит Вайс.
По словам Вайсса, лучше спроектированные ткани с капиллярами могут улучшить реконструкцию связок и сухожилий, помогая новым тканям соединяться с существующей сетью кровеносных сосудов.
Преваскуляризованные ткани также могут помочь пациентам с диабетом, страдающим от медленно заживающих ран из-за нарушения микроциркуляции крови. Имплантированные кожные трансплантаты с собственными кровеносными сосудами могут стимулировать кровоток и способствовать заживлению диабетических язв.
Вайс предполагает, что участки с преваскуляризацией восстанавливают сердечную мышцу, которая повреждена, когда сердечный приступ прекращает поступление кислорода в сердце, превращая часть сердца в жесткую рубцовую ткань. Пластырь, имплантированный на рубцовую ткань, может стимулировать рост кровеносных сосудов для восстановления поврежденной сердечной мышцы, лишенной кислорода.
"Если мы сможем реваскуляризовать поврежденную часть сердца, возможно, удастся восстановить его функцию," Вайс говорит.
Что касается метастазов рака, большинство опухолей начинаются с плотных бескровных масс. Чтобы расти и распространяться, опухоль обманом заставляет организм подпитывать его кислородом кровеносных сосудов.
"Сосуды прорастают и затем обеспечивают путь для распространения опухоли," Вайс говорит. "Это исследование поможет нам понять физические параметры, которые контролируют, достигают ли кровеносные сосуды опухоли."
Выращивание кровеносных сосудов в желеобразных коллагеновых формах
Хотя это не первое исследование того, как формируются сети кровеносных капилляров, инженеры Университета Юты вырастили настоящие кровеносные сосуды в лаборатории и разработали трехмерное компьютерное моделирование этого процесса. Этот подход позволил исследователям подтвердить, что более плотный коллагеновый матрикс нарушает рост сосудов.
Чтобы вырастить сеть кровеносных сосудов, исследователи извлекли фрагменты кровеносных сосудов из жировых тканей крыс и поместили их в жидкость. Этот экстракт содержал 35000 таких фрагментов кровеносных сосудов на миллилитр (одну пятую чайную ложку) раствора.
Кусочки кровеносных сосудов выращивали в пластиковых пластинах с крошечными лунками в форме плесени, заполненными гелеобразным коллагеном в качестве внеклеточного матрикса, напоминающего Jell-O. Коллаген является основным компонентом соединительной ткани и настоящего внеклеточного матрикса, и его плотность различается по всему телу. Скважин было 0.6 дюймов в ширину и 0.1 дюйм глубиной.
Исследователи культивировали фрагменты кровеносных сосудов крысы в течение шести дней в лунках с тремя плотностями коллагена: 2, 3 и 4 миллиграмма коллагена на миллилитр раствора. Сосуды в коллагене с более низкой плотностью росли и разветвлялись больше, имели меньше тупиков и взаимосвязаны друг с другом лучше, чем сосуды, растущие в коллагене с более высокой плотностью. Эти сети кровеносных сосудов отражают те, что встречаются у живых млекопитающих.
Моделирование и прогнозирование роста сосудов с помощью компьютера
Сосуды, выращенные в лаборатории, предоставили данные об общей длине сосудов, степени их соединения в сеть или сосуды, а также о количестве ответвлений и тупиков сосудов. Эти данные позволяют им программировать трехмерное компьютерное моделирование, которое точно предсказывает формирование сети кровеносных сосудов на основе плотности коллагенового матрикса.
"Теперь мы можем ответить на самые разные вопросы о геометрии этих тканей, их форме, границах, начальной плотности и механических свойствах," Вайс говорит. "Мы можем использовать компьютер, чтобы предсказать влияние, которое эти факторы оказывают на структуру структуры сосудистой сети."
Точность трехмерного компьютерного моделирования также позволила исследователям смоделировать эксперименты, которые невозможно было провести в лаборатории. Одно моделирование показало, что кровеносные сосуды легко растут от более плотного к менее плотному коллагену, но не наоборот. Второй показал, что сосуды разрастаются в коллагене, за исключением того места, где плотный кусок коллагена был помещен в центр менее плотного коллагена. Третье моделирование показало, что когда исследователи моделировали две полосы менее плотного коллагена, окруженные полосами более жесткого коллагена, нервные сосуды росли вдоль полос более низкой плотности.
Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения. Соавторами Университета Юты были Клейтон Андервуд, научный сотрудник по биоинженерии, и Джеймс Гилки, доцент-исследователь в области машиностроения. Ключевым соавтором был Джеймс Хойинг, профессор Луисвиллского университета в Кентукки. Вайс также поблагодарил давнего сотрудника профессора Университета Аризоны Урса Утцингера за его помощь.