Биоинженерия позволит программировать сократительную способность в функциональных слоях сердечной ткани

Новые возможности тканевой инженерии позволяют исследователям программировать сократительную способность в функциональных слоях сердечной ткани, напечатанных на биопринтере с использованием строительных блоков органов, полученных из стволовых клеток человека.

Болезни сердца являются основной причиной смерти среди взрослых и детей. Многие пациенты с критическим состоянием сердца ожидают трансплантацию органа, и нередко такое ожидание длится не менее 6 месяцев, а для ряда пациентов еще дольше. Эти тревожные данные иллюстрируют необходимость более эффективных стратегий замены сердечной ткани.

В отличие от других органов, которые могут восстанавливаться в различной степени после травмы, сердце обладает ограниченной способностью к регенерации. Хорошо известно, что, когда клетки сердца погибают, они заменяются фиброзным рубцом, который нарушает нормальное сокращение сердца. В то время как современные технологии стволовых клеток позволили производить специфические для пациента клетки сердца в качестве источника для тканевых инженеров, имитация высокоструктурированной архитектуры сердечной мышцы и сложной функциональности остается серьезной проблемой.

Левый желудочек сердца перекачивает кровь через кровеносную систему, сокращаясь в виде скручивающегося «отжимающего» движения. Это обеспечивается слоями кардиомиоцитов, все сократительные механизмы которых выровнены в одном направлении внутри отдельного слоя. Затем несколько слоев укладывают друг на друга поперек стенки сердечной мышцы толщиной 1 см, каждый из которых ориентирован под углом по отношению к соседним слоям. Несмотря на то, что каждый кардиомиоцит сокращается в одном направлении, различное расположение каждого слоя кардиомиоцитов заставляет желудочек скручиваться, сжимая кровь внутри и выталкивая ее в аорту. Тканевые инженеры разработали различные методы выравнивания сердечных клеток на различных поверхностях, но они не воссоздавали сложное расположение сердца и не могли создать ткань миокарда, достаточно толстую для использования в регенеративной терапии сердца.

Теперь же команда Дженнифер Льюис из Института биологической инженерии Wyss при Гарвардском университете и Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработала набор новых технологий кардиотехники, которые позволили им имитировать выравнивание сократительных элементов сердца. Используя полимер bioink с плотно упакованными строительными блоками сократительных органов (OBB), состоящими из кардиомиоцитов, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека (hiPSCs-CMs), они смогли напечатать выровненные листы сердечной ткани со сложным и разнообразным выравниванием. Эти листы имеют организацию и функциональность, аналогичные таковым в реальных слоях сердечной мышцы человека. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials. В будущем этот прогресс может позволить разработать толстую многослойную мышечную ткань человека с более физиологичными сократительными свойствами.

«Способность эффективно имитировать выравнивание сократительной системы сердца по всей ее иерархии, от отдельных клеток до более толстой сердечной ткани, состоящей из нескольких слоев, имеет центральное значение для создания функциональной сердечной ткани для заместительной терапии», - рассказала старший автор и член профессорско-преподавательского состава Wyss Дженнифер Льюис, доктор медицинских наук. Льюис также является Руководителем Инициативы Института Wyss по разработке 3D-органов и профессор биоинженерии в SEAS.

Пошаговое построение сердечной мышцы человека

Исследование основано на платформе 3D-биопечати команды Льюис, известной как SWIFT (Sacrificial Writing in Functional Tissue), которая позволила им создавать конструкции сердечной ткани, которые имеют типичную высокую плотность клеток нормальной сердечной ткани, используя сложные возможности 3D-биопечати. Этот подход использует предварительно собранные строительные блоки сердечных органов (OBB), состоящие из iPSC-CMs, и позволяет им решать еще одну грандиозную задачу тканевой инженерии – создание кровоснабжающей сосудистой сети с использованием полимерных чернил. Однако полученные тканевые конструкции не повторяли сложное расположение человеческого сердца.

Рис. 1. Чтобы создать слои выровненной сократительной ткани сердечной мышцы человека, команда сначала разработала платформу, с помощью которой они могли одновременно генерировать 1050 отдельных строительных блоков сократительных органов (OBB) между двумя микропиллярами, используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки человека (hiPSC), клетки фибробластов человека и основные молекулы внеклеточного матрикса (ECM). Затем частицы были сняты с микропилляров и использованы в качестве сырья для изготовления плотного материала. На втором этапе выравнивания механические силы сдвига, создаваемые в печатающей головке во время процесса печати, воздействуют на OBB во время их выдавливания, чтобы придать им направленность в напечатанных листах сердечной ткани. Источник: Wyss Institute at Harvard University

«Чтобы также получить контроль над направленной сократимостью в сконструированных слоях сердечной ткани, мы сначала разработали стратегию программирования параллельного выравнивания iPSC-CMs при разработке строительных блоков сердечных органов», - рассказал первый автор Джон Аренс, аспирант группы доктора Льюис. Для достижения этой цели исследователи разработали платформу с 1050 отдельными лунками, каждая из которых содержит два микропилляра. В лунки они засеяли hiPSCs-CMs в смеси с клетками фибробластов человека и белком внеклеточного матрикса (ECM) коллагеном, оба из которых необходимы для развития сердечной мышцы. Со временем, когда клетки уплотняют ECM, они образуют плотную микроткань, в которой кардиомиоциты и их клеточные сократительные механизмы ориентированы вдоль оси, соединяющей микропилляры. Строительные блоки OBB, называемые анизотропными (aOBBs), потому что они сжимаются в одном основном направлении, затем снимаются с микропилляров и используются в качестве исходного материала для изготовления плотной биопленки. Высокопроизводительный подход команды к созданию aOBB также позволил им изготовить беспрецедентное количество сокращающихся строительных блоков.

Второй этап выравнивания - это сам процесс печати. Механические силы сдвига, создаваемые печатающей головкой, воздействуют на aOBB во время их выдавливания, придавая им направленность. «Наша лаборатория ранее показала, что можно выровнять анизотропные мягкие материалы с помощью 3D-печати. Здесь мы продемонстрировали, что этот принцип может быть применен и к сердечным микротканям», - сказал соавтор Себастьен Узель, доктор философии, который является научным сотрудником команды доктора Льюис и наставником Аренса. Чтобы подчеркнуть универсальность своего процесса биопечати, исследователи напечатали листы сердечной ткани с линейной, спиральной и шевронной геометрией, в которых сократительные aOBB демонстрировали значительное выравнивание.

Рис. 2. Распечатав длинные сердечные макрофиламенты, соединяющие два макроэлемента, команда смогла измерить отклонения макропилляров, вызванные сократительным слоем сердечной мышцы, составляющим макрофиламент. Они обнаружили, что их сократительные силы и скорость сокращения увеличивались в течение 7 дней, что показало, что сердечные нити продолжали созревать в настоящие мышечные нити. Источник: Wyss Institute at Harvard University

Но команда также хотела иметь возможность измерять сократительные свойства сердечных конструкций, напечатанных с помощью aOBB. Для этого они напечатали длинные макрофиламенты, соединяющие два макропилляра, аналогично этапу генерации OBB с использованием платформы micropillar, только в большем масштабе. Измеряя прогибы макропилляров, они могли определить сократительные силы, создаваемые макрофиламентами. Команда действительно обнаружила, что сократительные силы и скорость сокращения (скорость) увеличивались в течение 7 дней, что показало, что сердечные нити продолжали созревать в настоящие мышечные нити. «С помощью технологии SWIFT мы хотели решить проблему клеточной плотности и масштаба тканей. Теперь, программируя выравнивание, мы стремились имитировать микроархитектуру миокарда. Одно новшество за другим, мы все ближе и ближе подходим к разработке функциональных тканей сердца для восстановления или замены”, - отметил Себастьен Узель. На следующем этапе разработки команда планирует применить этот метод для создания большего количества физиологических тканей, помимо двумерных однослойных конструкций.

Помимо трансплантации целых органов

«В то время как святым граалем усилий в области тканевой инженерии была бы трансплантация сердца из цельного органа, наш подход мог бы способствовать более непосредственному применению этой разработки. Его можно было бы использовать для создания более физиологических моделей заболеваний и создания пластырей на миокарде с высокой архитектурой, которые, подобно конструкторам LEGO®, могли бы соответствовать и использоваться для замены специфичного для пациента рубца после сердечного приступа», - рассказал Аренс. «Аналогичным образом, они могут быть адаптированы для латания специфичных для конкретного пациента, например, отверстий в сердце новорожденных с врожденными пороками. Теоретически, эти пластыри также могут развиваться вместе с ребенком, и их не нужно заменять по мере роста ребенка».

«Способность эффективно имитировать выравнивание сократительной системы сердца по всей его иерархии, от отдельных клеток до более толстой сердечной ткани, состоящей из нескольких слоев, имеет центральное значение для создания функциональной сердечной ткани для заместительной терапии», - рассказывает Дженнифер Льюис.