Искусственные сосуды для органов-на-чипе: новый шаг к биомедицинским исследованиям

В современной биомедицине наблюдается стремительное развитие технологии "органов-на-чипе" миниатюрных моделей человеческих органов, созданных на микрочипах.

Данные модели позволяют проводить исследования в контролируемой среде, что значительно превосходит по надежности и этичности эксперименты на животных или клинические испытания на людях.

Однако ключевым ограничением функциональности таких моделей всегда было отсутствие полноценной кровеносной системы, необходимой для обеспечения клеток питательными веществами и кислородом, а также для вывода продуктов метаболизма. Без функциональной сети капилляров, орган-на-чипе остается неполноценной имитацией.

Ученые из Венского технического университета (TU Wien) совершили значительный прорыв в этой области, разработав инновационный метод создания высокоточных искусственных кровеносных сосудов внутри таких микроскопических моделей органов. Их подход основан на использовании сверхкоротких лазерных импульсов для прецизионного вырезания микроскопических каналов будущих капилляров внутри гидрогеля.

Гидрогель это специальный биосовместимый материал, по своим свойствам напоминающий межклеточное вещество живой ткани, служащий отличной основой для создания трехмерной структуры.

Критически важным этапом является последующее заселение этих искусственных сосудов эндотелиальными клетками клетками, которые естественным образом выстилают внутреннюю поверхность кровеносных сосудов.

После заселения клетками, система начинает функционировать, имитируя процессы транспорта веществ, характерные для натуральных кровеносных сосудов. Это позволяет исследователям изучать, как лекарственные препараты распределяются в ткани, как реагируют клетки на различные стимулы, и проводить множество других экспериментов, которые были бы невозможны или неэтичны при использовании живых организмов.

Предыдущие попытки создания искусственных сосудов в органах-на-чипе страдали от существенных недостатков. Процесс создания сосудистой сети был хаотичным и непредсказуемым, приводя к существенным вариациям в структуре и функциональности разных моделей.

Лазерный метод, разработанный учеными из TU Wien, позволяет создавать сосудистую сеть с микронной точностью. Это означает, что исследователи могут контролировать не только расположение и размер капилляров, но и их плотность, что особенно важно при моделировании органов с различной васкуляризацией, например, печени.

Однако проблема точности это лишь часть задачи. Еще одной серьезной трудностью является биосовместимость материала и его устойчивость к повреждению клетками. В ходе длительного культивирования клетки могут выделять ферменты, способные разрушать искусственные сосуды.

Для решения этой проблемы, исследователи оптимизировали состав и способ нанесения гидрогеля. В частности, они используют двухэтапный процесс заливки гидрогеля при различных температурах, что обеспечивает большую стабильность и долговечность созданных микрососудов. Это позволяет поддерживать целостность сети в течение длительного периода культивирования, что важно для проведения длительных экспериментов.

Результаты исследований, опубликованные в журнале Biofabrication, демонстрируют впечатляющие изображения искусственной печеночной дольки с хорошо развитой трехмерной сетью капилляров, созданных с помощью лазерной технологии. Изображения, полученные после девяти дней культивирования, наглядно иллюстрируют высокое качество и функциональность искусственных сосудов.

Это значительный шаг вперед в развитии технологии "органов-на-чипе", открывающий новые возможности для исследования заболеваний печени, тестирования лекарственных препаратов и разработки новых терапевтических стратегий.

Ученые надеются, что их метод может быть адаптирован для создания функциональных сосудистых сетей и в других органах-на-чипе, существенно расширяя потенциал этого перспективного направления биомедицинских исследований.