Сердечно-сосудистые заболевания убивают людей по всему миру. Теперь исследователи разработали быстрый, недорогой и масштабируемый метод изготовления кровеносных сосудов из естественных тканей.

Кровеносные сосуды поддерживают нашу жизнь. По ним кровь, богатая кислородом и питательными веществами, доставляется во все уголки нашего тела, питая ткани и органы, и одновременно удаляет токсичные отходы.

Заболевания и дисфункции кровеносных сосудов могут привести к таким опасным для жизни ситуациям, как инфаркт, инсульт и аневризма. Нарушения в работе кровеносных сосудов являются одной из основных причин того, что сердечно-сосудистые заболевания занимают первое место в мире по числу смертей.

Для замены сильно поражённых кровеносных сосудов часто используется шунтирование. Во многих случаях можно использовать неживые трансплантаты из синтетических полимеров.

Однако кровеносные сосуды малого диаметра, например коронарную артерию, питающую кровью сердце, нельзя заменить искусственными сосудами, поскольку кровь будет свёртываться на их поверхности и мешать работе трансплантата.

В этих случаях менее важный кровеносный сосуд забирается из другого участка тела и используется для того, чтобы направить кровь в обход больного сосуда, восстанавливая кровоснабжение истощённых тканей. В случае успеха шунтирование может продлить жизнь пациента на много лет.

Шунтирование — спасительный метод лечения, но у него есть существенные ограничения. Наиболее серьёзное — у некоторых пациентов нельзя найти подходящие донорские сосуды из-за предыдущих операций или сопутствующих заболеваний, таких как диабет, а значит, возможности лечения таких пациентов ограничены.

Но что если вместо этого мы смогли бы искусственно изготовить «настоящие» кровеносные сосуды для лечения таких пациентов?

Станут ли изготовленные из тканей пациента кровеносные сосуды решением проблемы?

Изготовленные из тканей пациента кровеносные сосуды — то есть сосуды, созданные с использованием клеток и тканей человека — могут стать реальным вариантом лечения.

Кроме того, эти сосуды можно использовать и для других целей, например для создания встроенного кровоснабжения при изготовлении более крупных тканевых конструкций. В настоящее время это невозможно, и при имплантации в организм ткань погибает.

Несмотря на потребность в тканевых кровеносных сосудах, их успешное создание оказалось непростой задачей. Кровеносные сосуды представляют собой сложные, многослойные ткани, и их структура тесно связана с их работоспособностью.

Самый внутренний слой кровеносного сосуда, эндотелий, представляет собой единый слой специализированных клеток, которые выстраиваются вдоль оси сосуда, поддерживая кровоток и предотвращая свёртывание крови.

Вокруг эндотелия располагается трёхмерный слой гладкомышечных клеток, которые, как кольцо, окружают кровеносный сосуд. Они обеспечивают механическую прочность сосуда, предотвращая его разрыв, сокращаясь и расслабляясь для регулирования кровяного давления.

Правильное расположение слоёв

Исследователи всего мира уже много лет пытаются усовершенствовать процесс изготовления кровеносных сосудов из собственных тканей человека. Однако существующие методы медленны, требуют специализированного и дорогостоящего оборудования (например, биореакторов) и отличаются низкой пропускной способностью, что затрудняет обеспечение необходимого количества искусственных сосудов.

Комбинируя различные материалы и технологии изготовления, наша команда разработала быстрый, недорогой и масштабируемый метод тканевой инженерии кровеносных сосудов. В нашей работе, опубликованной в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, описано, как наши сосуды повторяют сложную геометрию настоящих кровеносных сосудов. Они ещё не совсем готовы к шунтированию, но мы надеемся, что находимся на правильном пути.

Сначала необходимо было создать форму, своего рода каркас, на котором будут расти слои кровеносных сосудов. Для этого на специальную оправку электроспиннингом наносится слой полимерных волокон, что обеспечивает трубчатую форму трансплантата кровеносных сосудов.

У тканевых кровеносных сосудов есть внутренний эндотелиальный слой и внешний мышечный слой, которые поддерживает полимерный каркас (трубка из PCL).

Электроспиннинг — это метод, при котором с помощью электрического напряжения поток полимера вытягивается в тонкие волокна, имитирующие белковую структуру нашей родной ткани, что напоминает прядение шерсти на шпульку в наномасштабе.

Однако в результате этого процесса волокна получаются беспорядочно ориентированными, в то время как нам нужны волокна, выровненные по длине, или оси, трубки, чтобы способствовать осевому выравниванию эндотелиальных клеток. Для выравнивания этих волокон мы разработали простую методику замораживания.

Поместив трубку в жёсткую форму, частично заполненную водой, и заморозив её, мы вызвали рост кристаллов льда вдоль оси, которые подтолкнули волокна к выравниванию.

Затем мы вырастили на трубке эндотелиальные клетки, чтобы создать внутренний слой сосуда — эндотелий. Клетки спонтанно выравниваются с волокнами, образуя непрерывный, выровненный слой эндотелиальных клеток, подобный тому, который мы видим в кровеносных сосудах.

Этот слой также обеспечивает соответствующие механические свойства, позволяет подшивать трансплантат к естественным кровеносным сосудам и предотвращает разрыв трансплантата.

Далее мы заливаем мягкий гидрогелевый слой вокруг электросплетенных волокон. Этот гидрогелевый слой предотвращает утечку крови из трансплантата, а также служит каркасом для гладкомышечных клеток.

Мы знаем, что клетки очень чувствительны к жёсткости окружающей их среды, поэтому мы испытали гидрогели различной жёсткости.

К нашему удивлению, более мягкие гели позволили гладкомышечным клеткам сосудов быстро и спонтанно выстраиваться в трёхмерную кольцевую структуру, имитируя то, что происходит в кровеносных сосудах.

Кровеносные сосуды «под заказ»

Теперь мы можем быстро и дёшево изготавливать кровеносные сосуды из живых тканей, обладающих соответствующими механическими свойствами и имитирующих клеточную ориентацию эндотелиальных и сосудистых гладкомышечных клеток в естественных кровеносных сосудах.

Полученные при помощи электроспиннинга волокна (а) выравниваются вдоль трубки трансплантата (д) с помощью простой технологии замораживания воды (б, в и г).

Данное исследование расширяет наши возможности по созданию кровеносных сосудов человека, однако ещё предстоит проделать определённую работу, прежде чем эти сосуды смогут быть использованы в клинике.

Наша команда при помощи электроспиннинга разработала полимерный слой, который со временем разрушается, создавая полностью биологический кровеносный сосуд. Поэтому нам необходимо убедиться в том, что деградация такого слоя происходит с необходимой скоростью, иначе трансплантат может потерять целостность и разорваться.

В будущем мы надеемся, что эти искусственные кровеносные сосуды будут использоваться для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, особенно у тех уязвимых пациентов, у которых нет подходящих донорских сосудов.