Един ден науката може да ни позволи да заменяме увредени или поразени от заболявания части на човешкото тяло с изкуствено създадени заместители. Възпроизвеждането на сложни органи и тъкани в лабораторни условия обаче съвсем не е лесна задача.
Това важи с особена сила за мрежите от кръвоносни съдове. Най-фините нишковидни капиляри са микроскопични – диаметърът им може да бъде едва 0,005 милиметра, или около 34 пъти по-малък от дебелината на човешки косъм. Те са толкова тесни, че кръвните клетки преминават през тях една след друга.
Изследванията в тази област напредват едновременно в няколко направления. Учени например вече са извършили първите преливания на лабораторно отгледани червени кръвни клетки, което показва колко бързо биоинженерството започва да преминава от експерименталните модели към първите изпитвания при хора.
Капилярите – едно от основните препятствия пред създаването на изкуствени органи
Екип, ръководен от изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT), публикува в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) проучване, което описва значително по-прецизен метод за създаване на кръвоносни съдове в лабораторни условия.
Правилното изграждане на кръвоносната мрежа – и съответно осигуряването на достатъчен кръвоток – е решаващо за успеха на всяка лабораторно отгледана тъкан или орган. Именно фините капиляри проникват дълбоко в тъканите и доставят на клетките необходимите кислород и хранителни вещества.
Създаването на функционална съдова мрежа остава едно от най-големите предизвикателства пред тъканното инженерство. Без добре организирано кръвоснабдяване дори изкуствена тъкан, която външно наподобява естествената, не може да остане жизнеспособна и да функционира пълноценно. Клетките във вътрешността ѝ не получават достатъчно кислород и хранителни вещества.
Този проблем придобива още по-голямо значение на фона на напредъка при лабораторно отглежданите бъбречни органоиди и останалите човешки миниоргани, използвани за изследване на заболявания. Колкото по-големи и по-сложни стават тези структури, толкова по-необходима е прецизно изградена съдова мрежа, която да поддържа клетките им живи.
Изкуствените кръвоносни съдове са създадени чрез механично разтягане. Снимка: MIT
Как магнитите направляват растежа на кръвоносните съдове
Новият метод използва магнитни сили, които внимателно разтягат клетките на кръвоносните съдове и направляват растежа им в желаната посока.
„Здравите тъкани се нуждаят от добре организирани мрежи от кръвоносни съдове, но дори най-съвременните протоколи не позволяват изграждането на подобни структури в тъкани, създадени чрез биоинженерство“, обяснява инженерът по механика Риту Раман от MIT.
„Възможността да програмираме растежа на кръвоносните съдове чрез физически сигнали може да ни позволи да създаваме по надежден и мащабируем начин инженерни тъкани, които впоследствие да бъдат имплантирани в човешкото тяло и да възстановяват неговите функции след тежко заболяване или травма.“
Системата е изградена върху малък чип, в който са поставени отгледани в лаборатория ендотелни клетки – клетките, покриващи вътрешната повърхност на кръвоносните съдове. Те се намират в колагенов гел. Колагенът е белтък и един от основните градивни елементи в човешкото тяло.
В чипа е поставен и миниатюрен магнит, управляван в трите пространствени измерения чрез няколко външни магнита. Като променят силата и посоката на магнитното въздействие, изследователите могат да контролират начина, по който израстват новите кръвоносни съдове.
Това е адаптирана версия на подход, който екипът вече е използвал при създаването на изкуствени мускули и нервни структури. И в тези случаи механичното въздействие служи като своеобразна „тренировка“ за клетките и влияе върху начина, по който те се подреждат, развиват и функционират.
Механичното въздействие променя броя и дължината на съдовете
Чрез промяна на силата на външното магнитно привличане учените успяват да контролират както дължината, така и броя на новообразуваните съдове. Разработката все още е на ранен, прототипен етап, но първоначалните резултати са обещаващи.
Допълнителните данни, представени от MIT, показват колко чувствително реагират клетките на силата на механичното въздействие. При разтягане, равняващо се на около 5% от ширината на гела, от основния съд израстват множество нови разклонения. При разтягане от около 15% се образуват по-малко съдове, но те достигат по-голяма дължина. Чрез промяна на посоката на разтягане учените могат да влияят и върху посоката, в която израстват новите капиляри.
Изследователите измерват броя и дължината на изкуствените кръвоносни съдове, отгледани под въздействието на редуващи се магнитни сили с честота 1 и 15 херца, и сравняват резултатите с нетретирани клетки и статични контролни проби. Източник: Kheiri et al., PNAS, 2026.
„Основният извод е, че многократното разтягане на кръвоносния съд напред и назад изглежда стимулира образуването на повече нови капиляри“, казва Раман.
„Механичните сили играят важна роля в нашето тяло. Това означава, че вече знаем как да насочваме процеса, когато искаме да отгледаме повече или по-малко съдове, по-къси или по-дълги съдове, или съдове, ориентирани в определена посока.“
Защо досегашните методи не осигуряват достатъчен контрол
Образуването на нови кръвоносни съдове е известно с научния термин ангиогенеза. Досегашните опити този процес да бъде възпроизведен изкуствено обаче не осигуряват необходимата прецизност.
В момента кръвоносни съдове могат да бъдат създавани чрез 3D принтиране или отглеждани от отделни клетки в лабораторни съдове, съдържащи хранителни вещества и различни химични съединения. Учените обаче продължават да търсят метод, който да позволява много по-прецизно управление на процеса.
Технологиите за 3D печат могат сравнително успешно да възпроизвеждат съдове с размерите на по-големи артерии и вени. Създаването на сложни мрежи от микроскопични капиляри обаче остава далеч по-трудно. Новият подход не се опитва просто да „отпечата“ цялата структура, а използва естествената способност на живите клетки да растат и да образуват разклонения, като направлява този процес чрез физическо въздействие.
„Можете да използвате химични сигнали, например растежни фактори, за да насочите местата, на които да се образуват нови съдове, но по този начин не може да се постигне особено голяма прецизност“, обяснява Раман.
„Затова се нуждаем от други видове сигнали, чието разположение и действие могат да бъдат контролирани. Те биха ни помогнали да изграждаме тъкани с добре организирани съдови мрежи.“
PIEZO1 – клетъчният механизъм, който разпознава натиска
Изследователският екип проучва и биологичните механизми, които стоят зад наблюдавания ефект. За тази цел учените повтарят експериментите с генетично модифицирани клетки, при които функцията на гена PIEZO1 е потисната.
Този ген управлява своеобразни клетъчни „пазачи“ – йонни канали, които регулират движението на различни вещества навътре и навън от клетката. В конкретния случай става дума за канал, който реагира на механичен натиск и преобразува физическото въздействие в биологичен сигнал.
Механочувствителните канали имат основополагащо значение за съвременната биология. Откриването на рецепторите, чрез които клетките възприемат механични стимули, е сред научните постижения, за които Ардем Патапутян получава съвместно Нобеловата награда за физиология или медицина за 2021 г.
Когато функцията на PIEZO1 е изключена, се образуват значително по-малко кръвоносни съдове, въпреки приложеното механично разтягане. Това показва, че активирането на йонния канал е решаваща част от процеса, чрез който клетките превръщат механичната сила в сигнал за растеж.
Следващата стъпка: съдови мрежи, през които действително протича кръв
Следващата задача пред учените е да установят доколко ефективно кръвта може да преминава през създадените с помощта на чипа артерии, вени и капиляри. Екипът трябва да провери и дали тези съдове могат да изградят устойчива и функционална мрежа, която не само наподобява естествената, но и действително снабдява тъканите с кислород и хранителни вещества.
След това изследователите планират да отглеждат лабораторни тъкани и органи около създадената съдова структура, като първите опити ще бъдат насочени към мускулна тъкан. Това ще бъде решаващо изпитание за метода, тъй като успехът му трябва да се измерва не само по броя и формата на съдовете, но и по способността им да подобряват функционирането на самата тъкан.
„В момента изследваме как прецизното насочване на растежа на кръвоносните съдове може да подобри функцията на мускулната тъкан“, казва биомедицинният инженер Джесика Шах от MIT.
Изследването е публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) под заглавието „4D force patterning enables spatial control of angiogenesis“.
Източник: Science Alert; превод и редакция: Владимир Тодоров
