Стенки артерий состоят из нескольких слоев клеток, включая эндотелий и среду. Эндотелий — это внутренняя оболочка всех кровеносных сосудов, которая взаимодействует с циркулирующей кровью. Среда состоит в основном из гладкомышечных клеток, которые помогают контролировать поток и давление крови внутри.
Эти два слоя общаются посредством набора химических сигналов, которые контролируют реакцию сосудистой системы на раздражители, такие как лекарства и упражнения.В новом исследовании биомедицинские инженеры из инженерной школы Герцога Пратта успешно сконструировали искусственные артерии, содержащие оба слоя, и продемонстрировали их способность общаться и нормально функционировать.Кровеносные сосуды, о которых 18 февраля сообщается в Nature Scientific Reports, также уменьшены, чтобы позволить трехмерным микромасштабным платформам искусственных органов тестировать лекарства на эффективность и побочные эффекты. Новая техника может также позволить исследователям проводить эксперименты по замене артерий в рекордно короткие сроки.
«Мы хотели сосредоточиться на артериях, потому что именно там больше всего повреждений вызывается коронарными заболеваниями», — сказал Джордж Траски, профессор биомедицинской инженерии Р. Юджина и Сьюзи Э. Гудсон и Виник декан инженерной школы Пратта в Дьюке.«Большинство предыдущих исследований были сосредоточены на клетках среды, но не уделяли много времени эндотелиальным клеткам, и никто не показал, как они будут взаимодействовать», — сказал Траски. «Многие методы создания искусственной ткани также были довольно длительными, что разочаровывало».
Разочарование вызвало то, что на выращивание артерий в лаборатории ушло от шести до восьми недель. Обратившись к литературе, Траски нашел документ, в котором подробно описывается гораздо более быстрый метод создания трахеи.
Метод работает, помещая клетки желаемой ткани внутрь коллагена и сжимая их в течение нескольких минут. Это одновременно выдавливает лишнюю воду и увеличивает механическую прочность полученной ткани.
В течение следующих шести месяцев аспирантка Кристина Фернандес работала над преобразованием техники, чтобы она могла создавать артерии. И не просто артерии — артерии уменьшились до одной десятой размера типичного человека, что сделало перевод еще более сложным.
«Имея меньший диаметр, мы могли бы сделать множество этих искусственных сосудов за короткое время», — сказал Труски. «Мы можем изготовить эти сосуды и использовать их всего за несколько часов. Для меня это было самым большим достижением, потому что несколько недель на каждой съемочной площадке сводили меня с ума».Как только это препятствие было преодолено, команда проверила новые артерии, чтобы увидеть, как они будут реагировать на естественные и искусственные раздражители. В одном из тестов они вводили статины, чтобы увидеть, будут ли они блокировать воспаление, как у пациентов.
В другом тесте исследователи попытались выяснить, могут ли химические сигналы, исходящие от эндотелиальных клеток, вызывать расслабление и сжатие слоя среды, как это происходит в организме человека.В обоих случаях инженерные артерии вели себя нормально.Следующим шагом, по словам Труски, будет изучение того, как некоторые редкие генетические заболевания влияют на артерии. Конечная цель — создать систему, которая может использоваться для тестирования лекарств, более точная и надежная, чем модели на животных.
Эта цель является частью программы Tissue Chip for Drug Screening, которая финансируется Национальными институтами здравоохранения для улучшения способов прогнозирования безопасности и эффективности лекарств. Перед программой поставлена задача создать трехмерные чипы тканей человека и объединить их в интегрированную систему, имитирующую сложные функции человеческого тела, чтобы перспективные фармацевтические препараты могли быть лучше протестированы перед испытаниями на людях.В Duke одна из сторон проекта уже продемонстрировала создание скелетных мышц, которые физиологически реагируют на раздражители, например, на лекарства.
С развитием этих небольших искусственных артерий эти две системы могут быть соединены и в конечном итоге интегрированы с другими тканевыми прокси, такими как искусственная функционирующая ткань печени, что также исследуется в Duke.Но новый метод также может стать благом для исследователей, создающих искусственные артерии во всем мире.
«Хотя наши артерии маленькие и предназначены для тестирования, они так же механически прочны, как и те, которые предназначены для установки внутрь тела», — сказал Траски. «Таким образом, этот метод может быть полезен исследователям, пытающимся создать искусственные артерии для замены поврежденных артерий у пациентов».