Пористый полимерный каркас позволил мышам эффективней нарастить мышечные клетки

Yoonhee Jin et al. / Advanced Materials, 2021

Биологи и материаловеды предложили использовать пористый биосовместимый материал в качестве каркаса в тканевой инженерии. Предшественники мышечных клеток, которые прикрепили к каркасу из пористых волокон поликапролактона, хорошо развивались и формировали мышечную ткань в мышах. Мышечные «заплатки», построенные по такой технологии, помогли животным преодолеть травму и потерю большого объема мышцы. Работа опубликована в Advanced Materials.

В результате травм, инфекционных заболеваний или операционного удаления опухолей пациенты могут потерять довольно объемные участки мышечной ткани. Лечение предусматривает хирургическое вмешательство: на поврежденное место пересаживаются лоскуты мышц этого же человека. Такая процедура, соответственно, требует дополнительного операционного участка на теле человека, что достаточно болезненно. Кроме того, такой подход не всегда приводит к эффективному восстановлению мышечных функций и иннервации пересаженной ткани.

Пересаживать миогенные клетки-предшественники представляется более обещающей стратегией. Такие клетки можно получить в лаборатории из фибробластов — клеток соединительной ткани. Для этого достаточно простимулировать их сигнальными молекулами (транскрипционными факторами), свойственными для клеток мышечной ткани.

Чтобы пересаженные клетки образовывали настоящие мускулы, необходимо точно контролировать их расположение и направление роста. Для этого можно вставлять клетки в синтетический каркас, который воспроизводит свойства естественного «скелета» ткани — внеклеточного матрикса — и образует 3D-конструкции, похожие на природную мышечную ткань. Однако, в отличие от природного внеклеточного матрикса, у синтетических каркасов часто не хватает специфических мест узнавания для клеток, и в результате клетки плохо связываются с ним.

В результате совместного исследования ученые из университета Ёнсе и Массачусетского технологического института под руководством Сынву Чо (Seung-Woo Cho) и Полины Аникеевой (Polina Anikeeva) предложили использовать гибридную конструкцию, образованную внеклеточным матриксом, синтетическим каркасом из материала поликапролактона и мышечными клетками-предшественниками.

Сначала исследователи приготовили волокна из поликапролактона в двух вариантах: с порами и без них. Композитные листы из поликапролактона с кристаллами хлорида натрия скатывали в трубочки толщиной в 50 микрометров и высушивали. Поскольку кристаллы соли диаметром в 25-30 микрометров не могли полностью уместиться в листе поликапролактона, при высушивании они образовывали поры. В процессе сушки толщина поликапролактона становилась еще тоньше (около 45 микрометров).

Затем ученые получили освобожденный от клеток внеклеточный матрикс из свиных мышц: в мышечной ткани расщепили клетки с помощью поверхностно-активного вещества лаурилсульфата натрия, в результате чего удалось удалить 97,4 процентов клеток. В матриксе остались такие компоненты, как коллаген, протеогликаны и гликопротеины.

После вымачивания синтетических волокон и листов в растворе такого внеклеточного матрикса (пять миллиграмм на миллилитр), при помощи микроскопии на поверхности пористого поликапролактона обнаружили сетчатую структуру. Внеклеточный матрикс успешно прикрепился к каркасу.

Чтобы проверить биосовместимость, исследователи имплантировали поликапролактоновый каркас с внеклеточным матриксом на нем мышам. Через три дня и две недели авторы работы провели гистологический анализ, в результате которого не обнаружили некроза или воспалительного ответа организма в районе импланта. Далее исследователи перешли непосредственно к созданию мышечных имплантов. Мышечные клетки-предшественники посадили на синтетические волокна и листы из поликапролактона. На пористом каркасе в виде волокон клетки стали расти упорядоченно, а это очень важно для регенерации мышечной ткани.

Эффективность подобных искусственных мышц авторы работы проверили также на мышах, у которых предварительно удалили 75 процентов четырехглавой мышцы бедра. Восстановиться без операционного вмешательства от такой травмы невозможно. Затем ученые имплантировали на место повреждения конструкции из волокнистого или листового каркаса и мышечными клетками-предшественниками. В качестве контрольной группы использовались мыши, которым в качестве импланта достался каркас без клеток на нем. Также была группа животных, у которых миогенные клетки посадили не на поликапролактоновый каркас, а в гель. Спустя четыре недели после имплантации исследователи наблюдали первые признаки регенерации тканей во всех группах, кроме контрольной и у мышей с имплантом на гелевом каркасе. На волокнистом поликапролактоне выросли миотрубочки и мышечные волокна, а на листах в основном появились немышечные клетки. Хорошим результатом также стала иннервация тканей и появление в них сосудов. Через десять недель на волокнистом каркасе образовались зрелые мышечные волокна. На листовой основе появилась смесь зрелых и растущих волокон, а в контрольной группе лишь отложения жира.

В конце работы ученые протестировали, насколько биоинженерные мышцы помогли мышам восстановить двигательные функции конечностей. Исследователи измеряли длину шага животных, силу хвата лап и максимальную скорость вращательного стержня, при которой может на нем удержаться (по аналогии с вращающимися барабанами на детских площадках, только мыши бегают по нему всеми четырьмя лапами). Через три недели после имплантации, эти показатели еще были снижены по сравнению с полученными до травмы, а к пятой неделе длина шага уже начала увеличиваться. Импланты на мышечном каркасе помогли мышам удерживаться на тренажере, который вращался со скоростью 10 оборотов в минуту, в 1,31±0,27 раз дольше, чем до травмы. Мыши, у которых повреждений не было, демонстрировали схожий результат — в 1,33±0,32 раза дольше. Таким образом, гибридная конструкция, предложенная авторами, помогала мышам восстановиться после серьезной травмы.

Технологии тканевой инженерии уже находят свое применение в медицине. Например, в США на каркасе из коллагена выращивают кожу для солдат, чтобы лечить ожоги. Кроме того, при помощи тканевой инженерии ученые надеются получать древесину как промышленный материал в питательном растворе и гелевом каркасе, не выращивая деревья. 

Вера Сысоева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.