Покрытые клетками: клетки растут вдоль полимерных нитей, показанных зеленым. (Фото: science-wired.blogspot.com)
Группа биоинженеров из Политехнического института Ворчестера (Worcester Polytechnic Institute, WPI) продемонстрировала возможности новой хирургической технологии, которую можно использовать для адресной доставки стволовых клеток при восстановлении больных или поврежденных тканей организма, в том числе сердечной мышцы после инфаркта миокарда. Технология заключается в получении из биополимерных микронитей биологического шовного материала и засев этого материала стволовыми клетками. Ученые показали, что взрослые стволовые клетки костного мозга, прикрепившиеся к такой нити, хорошо размножаются и сохраняют свою способность к дифференциации и превращению в клетки других типов.
«Мы довольны достигнутым», - говорит руководитель группы доцент кафедры биомедицинской инженерии WPI Гленн Годетт (Glenn Gaudette). «Эта технология развивается в мощную систему для доставки терапевтических клеток непосредственно туда, где они необходимы, будь то поврежденное сердце или другие ткани».
Биологические нити: микронити толщиной с человеческий волос, засеянные стволовыми клетками (красные и синие), могут помочь восстановить поврежденную ткань сердца. (Фото: Gaudette Lab, WPI)
Работа лаборатории Годетта сфокусирована на изучении путей восстановления поврежденной сердечной мышцы и разработке методов лечения сердечной аритмии, основанных на клеточных технологиях. В большинстве исследований используются человеческие мезенхимальныестволовые клетки (hMSCs), происходящие из костного мозга и обладающие способностью дифференцироваться в целый ряд тканей организма, включая мышечную, костную и жировую. Как доказали работы Годетта и других исследователей, человеческие мезенхимальные стволовые клетки, доставленные в поврежденную сердечную ткань, в некоторой степени улучшают функции сердца. Большой проблемой, однако, является получение достаточного количества hMSCs. Более ранние методы введения клеток в кровь или непосредственно в сердечную мышцу дают низкие результаты: только 15 процентов введенных клеток действительно выживают и закрепляются в сердечной мышце. Большинство инъецированных клеток уносится кровотоком.
Для решения проблемы доставки клеток Годетт объединил свои усилия с коллегой – доцентом кафедры биомедицинской инженерии WPI Джорджем Пинсом (George Pins), разработавшим технологию получения биополимерной микронити для использования в качестве каркаса, или временной структуры, при заживлении ран и в клеточной терапии. Микронити, диаметр которых равен толщине человеческого волоса, сделаны из фибрина – белка принимающего участие в процессе свертывания крови. Характеристики нитей можно изменять и тонко настраивать для решения различных задач: они могут иметь различную прочность на разрыв и растворяться с разной скоростью. Пинс изучает возможность применения таких нитей для замены сухожилий и связок. Доцент кафедры биомедицинской инженерии WPI Рэй Пэйдж (Ray Page) руководит группой, использующей микронити в качестве платформы для фибробластов в процессе регенерации скелетной мускулатуры.
Стволовые клетки на отдельной микронити. Клетки, светящиеся зеленым цветом, находятся в процессе деления. (Фото: Worcester Polytechnic Institute)
На настоящий момент Годетт и его группа разработали протоколы засева hMSCs в маленькие пучки фибриновых микронитей. В течение пяти дней после прикрепления стволовых клеток к нитям их культивировали, и клетки размножались до тех пор, пока каждая из нитей двухсантиметровой длины не покрывалась почти 10000 человеческих мезенхимальных стволовых клеток. После засева и процесса выращивания Годетт прикрепил микронити к хирургической игле и протащил их через коллагеновый гель, имитирующий живую ткань. К концу этой процедуры большинство клеток остались живы и были по-прежнему прикреплены к нитям, что означало, что ими можно прошивать человеческую ткань.
Годетт и его коллеги протестировали выращенные на нитях hMSCs, чтобы убедиться, что клетки сохранили свою мультипотентность, то есть способность трансформироваться в другие типы клеток. Они сняли клетки с нитей и вырастили их по установленным протоколам, стимулирующим дифференциацию hMSCs в жировые и костные клетки. В обоих случаях взятые с микронитей клетки начали дифференцироваться в соответствующих направлениях.
Гленн Годетт (Glenn Gaudette), доцент кафедры биомедицинской инженерии WPI. (Фото: Worcester Polytechnic Institute)
«Кажется, выращенные на нитях клетки ведут себя так же, как мы ожидали бы от мезенхимальных стволовых клеток, выращенных in vivo», - говорит Годетт. «Мы считаем эти результаты доказательством эффективности принципа: теперь у нас есть возможность доставлять клетки в любое место, куда только хирург может ввести такую нить».
Чтобы посмотреть, могут ли клетки внедриться в сердечную ткань и улучшить функцию сердца, ученые уже проводят эксперименты с засеянными стволовыми клетками микронитями на животных моделях.