VIDEO: Precizan način uzgoja umjetnih krvnih žila

Znanstvenici i inženjeri već duže vrijeme pronalaze načine za uzgoj živih organa i tkiva iz stanica, s ciljem zamjene bolesnih i oštećenih organa u tijelu.

Znanstvenici su do sada uspješno uzgojili umjetne mišiće, jetru, bubrege, kožu i druga tkiva, a ali ne postoji pouzdan način za stvaranje precizno oblikovanih mreža krvnih žila, od kojih neke mogu biti tanje od ljudske vlasi.

Bez vaskularne mreže koja dostavlja hranjive tvari, bilo koje umjetno tkivo, bez obzira koliko živopisno izgledalo, ne može funkcionirati.

Tim istraživača na američkom tehnološkom institutu MIT, sada je izgradio ljudsku "krvnu žilu na čipu", sastavljenu od središnje arterije napravljene od ljudskih endotelnih stanica, ugrađene u gel koji sadrži mali magnet.

Istraživači su proučavali kako glavna arterija reagira dok su pomicali gel naprijed-natrag pomoću vanjskog magneta za pomicanje magneta ugrađenog u gel.

Video konstruiran od 3D mikroskopske slike visoke rezolucije umjetnog tkiva krvnih žila koju su izradili inženjeri s MIT-a, prikazuje prolaz kroz središnju arteriju i nove kapilare koje niču iz arterije kao odgovor na mehaničku stimulaciju, kao što možete vidjeti ovdje. 

Otkrili su da jednostavna mehanička radnja ponovljenog potiskivanja arterije stimulira arteriju da izbije druge, manje kapilare. Promjenom smjera u kojem se arterija potiskuje ili rasteže, istraživači su mogli preusmjeriti rastuće nove žile. Istezanje arterije u različitim stupnjevima utjecalo je na to koliko je više novih žila izniklo.

Njihovi rezultati, objavljeni u časopisu PNAS, nude znanstvenicima novi način stvaranja umjetnih krvnih žila i programiranja obrazaca u kojima rastu.

Krvne žile je teško uzgajati i kontrolirati korištenjem konvencionalnih tehnika izrade. Iako 3D printeri mogu proizvesti žile u mjerilu glavnih arterija i vena, tehnologija nije dovoljno precizna za ispis zamršenih mreža mnogo finijih, niti nalik kapilara. Znanstvenici su imali određeni uspjeh u uzgoju krvnih žila iz pojedinačnih stanica, uzgajajući ih u Petrijevim zdjelicama napunjenim hranjivim tvarima i faktorima rasta. Ali kontrola načina i mjesta rasta ostaje izazov.

„Možete pokušati oblikovati kemijske znakove, poput faktora rasta, kako biste usmjerili rast krvnih žila, ali to ne možete učiniti vrlo precizno“, kaže Ritu Raman, izvanredna profesorica strojarstva na MIT-u i suvoditeljica studije. „Stoga su nam potrebne druge vrste znakova koji se mogu oblikovati i koji nam mogu pomoći u izgradnji tkiva s organiziranim krvnim žilama.“

Ona i njezini studenti pitali su se mogu li uzgajati i kontrolirati nove krvne žile koristeći protokol koji su prethodno razvili za uzgoj umjetnih mišića i živaca.

U svojim prethodnim radovima, tim je konstruirao mali čip ispunjen gelom koji su proželi hranjivim tvarima i faktorima rasta. U gel su ugradili mali magnet, a zatim površinu gela prekrili živim mišićnim ili neuronskim stanicama. Zatim su manipulirali vanjskim magnetom kako bi povlačili ugrađeni magnet i gel prekriven stanicama naprijed-natrag. Ovaj rad otkrio je da mehanička „vježba“, povlačenje stanica naprijed-natrag, izravno utječe na način rasta stanica.

U svom novom radu, tim je koristio sličnu postavku kako bi vidio mogu li uzgajati i kontrolirati nove krvne žile. Istraživači su izgradili "krvnu žilu na čipu", manju od poštanske marke, i napunili je sličnim gelom bogatim hranjivim tvarima koji je sadržavao mali magnet. Probili su tanku cjevčicu po dužini kroz gel kako bi stvorili šuplji kanal i obložili kanal živim endotelnim stanicama, koje prirodno rastu i spajaju se kako bi formirale krvne žile u tijelu. Nakon što su stanice poprimile oblik kanala, počele su stvarati nove, kapilarne žile u gelu.

Postavivši uređaj ispod motorizirane platforme opremljene malim, ovješenim magnetima, istraživači su pomicali magnete naprijed-natrag u različitim smjerovima i u različitim stupnjevima te promatrali jesu li i kako krvne žile iznikale iz središnje arterije kao odgovor.

Kad bi se glavna arterija jednostavno ostavila na miru u gelu, iz nje bi na nasumičnim mjestima duž cijele duljine izrasle neke nove žile. Ali kad bi se arterija pomaknula, izraslo bi znatno više žila. Kad je tim koristio magnete za rastezanje gela naprijed-natrag, za 5 posto ukupne širine gela, iz glavne arterije je izraslo mnogo novih žila. Kad bi se istegnule za 15 posto, izraslo je manje žila, ali one koje jesu rasle su dulje. A kad je tim promijenio smjer istezanja, nove žile su slijedile smjer istezanja, izmjenjujući se i prateći obrazac mehaničke stimulacije tima.

„Otkrivamo da je kretanje dobro, što je uvijek glavna stvar koju radimo u našem laboratoriju“, kaže Raman. „Mehaničke sile igraju važnu ulogu u našim tijelima. To znači da ako želite uzgojiti više ili manje krvnih žila, ili kraće ili duže krvne žile, ili krvne žile u određenim smjerovima, sada znamo kako to učiniti.“

Sada kada je tim pronašao način za uzgoj i kontrolu rasta krvnih žila, planira primijeniti protokol za uzgoj organiziranih mreža krvnih žila koje će opskrbiti umjetne organe i tkiva. „Sada istražujemo kako precizno određivanje rasta krvnih žila može pomoći u poboljšanju funkcije mišića“, kaže koautorica studije Jessica Shah.