Генетический переключатель позволяет 3D-печатной костной ткани самостоятельно формировать новые кровеносные сосуды, что даёт надежду на лечение костных дефектов, вызванных травмами или инфекциями
Репортаж от Wedoany，Междисциплинарная команда Университета штата Пенсильвания (США) добилась прорыва: запрограммировав клетки, они с помощью технологии генетических переключателей позволили 3D-печатной костной ткани самостоятельно генерировать новые кровеносные сосуды. Это достижение открывает новые перспективы для лечения костных дефектов, вызванных серьёзными травмами или инфекциями. Соответствующая статья опубликована в новом номере журнала Chemical Engineering Journal.
Одной из самых больших проблем при регенерации костной ткани является формирование сосудистой сети внутри новой ткани. Без кровоснабжения плотная костная ткань не может выжить и нормально расти. Традиционные методы ограниченно эффективны в стимулировании васкуляризации.
Исследовательская группа применила передовую технологию под названием «всасывающая ассистируемая биопечать». Эта технология позволяет точно размещать микроскопические скопления живых клеток — сфероиды — в заданных позициях гидрогелевого каркаса. Такое точное управление обеспечивает равномерное распределение клеток, что гарантирует однородность регенерации ткани.
Чтобы наделить эти сфероиды различными функциями, исследовательская группа приобрела недифференцированные стволовые клетки из коммерческих источников и ввела в них два специфических регуляторных молекулы генов: miR-148b и miR-210. Эти молекулы действуют как генетические переключатели: первая направляет клетки к остеогенной дифференцировке, а вторая запускает программу ангиогенеза.
После нескольких дней культивирования запрограммированные клетки были собраны в сфероиды, которые затем с помощью 3D-печати встроили в гелевый каркас. В течение последующих 28 дней клетки постепенно созревали и дифференцировались внутри каркаса, в конечном итоге формируя тканевую структуру, обладающую как костными, так и сосудистыми функциями.
Эксперименты на животных подтвердили эффективность этого метода. В модели костного дефекта у иммунодефицитных мышей без какого-либо лечения через шесть недель площадь костной ткани восстановилась лишь примерно на 35%; при имплантации пустого каркаса без специальных сфероидов площадь восстановления увеличилась до 93%. При использовании смешанных сфероидов, несущих оба генетических переключателя, эффект был ещё более выраженным: не только увеличилась площадь покрытия костной тканью, но и значительно повысилась экспрессия маркера эндотелия сосудов CD31, что свидетельствует о более активном формировании новых кровеносных сосудов.
Исследовательская группа полагает, что между сфероидами с разными функциями, возможно, существует синергетическое взаимодействие, совместно способствующее общему росту костной и сосудистой тканей. На следующем этапе команда планирует более детально изучить этот синергетический механизм на более крупных животных моделях, а также оценить, не оказывает ли ангиогенез негативного влияния на рост костной ткани.
В настоящее время эта технология ориентирована в первую очередь на пациентов с обширными костными дефектами, вызванными раком, инфекциями или тяжёлыми травмами, и не подходит для лечения обычных переломов. Поскольку все используемые материалы уже производятся коммерчески, эта технология обладает хорошей масштабируемостью и может ускорить переход к клиническому применению в будущем.
В области регенеративной медицины существует труднопреодолимый барьер — обеспечить, чтобы новая ткань, имплантированная в организм, сформировала собственную сосудистую сеть. Прежние имплантационные материалы часто были «пассивными»: им оставалось лишь ждать медленного врастания окружающих сосудов, что легко приводило к некрозу из-за ишемии. Теперь учёные фактически заранее задают клеткам программу развития, превращая изначально «мёртвый» материал в «живую» ткань, способную к самосовершенствованию. По сути, применение этой концепции, вероятно, выйдет далеко за пределы ортопедии. В будущем от неё могут выиграть создание мышечной, мягкой ткани и даже более сложных органов. Кроме того, все используемые исходные материалы уже коммерциализированы, и здесь нет сложных барьеров, что означает значительное снижение порога перехода из лаборатории в операционную и возможность быстрее принести пользу пациентам.
