Команда, возглавляемая исследователями из инженерной школы Университета Тафтса и Университета Павии, сообщила о разработке первой трехмерной тканевой системы, которая воспроизводит сложную структуру и физиологию костного мозга человека и успешно генерирует функциональные тромбоциты человека. Используя матрицу биоматериала из пористого шелка, новая система способна производить тромбоциты для будущего клинического использования, а также обеспечивает лабораторную тканевую систему для дальнейшего изучения заболеваний тромбоцитов крови.
"Есть много заболеваний, при которых нарушается продукция или функция тромбоцитов," говорит Алессандра Балдуини, M.D., доцент-исследователь кафедры биомедицинской инженерии в Тафтсе, доцент кафедры молекулярной медицины Университета Павии и соавтор-корреспондент статьи. "Новое понимание образования тромбоцитов окажет большое влияние на пациентов и здравоохранение. В этой тканевой системе мы можем культивировать полученные от пациента мегакариоциты – клетки костного мозга, которые производят тромбоциты, – а также эндотелиальные клетки, которые находятся в костном мозге и способствуют выработке тромбоцитов, чтобы разработать режимы введения лекарств для конкретного пациента."
Новая система также может обеспечить лабораторную тканевую систему in vitro, с помощью которой можно изучать механизмы заболевания крови и прогнозировать эффективность новых лекарств, обеспечивая более точную и менее дорогостоящую альтернативу моделям животных in vivo.
"Необходимость в системах производства тромбоцитов для лечения пациентов со связанными заболеваниями является значительной. Эта ориентированная на пациента система может предоставить новые знания и варианты клинического лечения," говорит Дэвид Каплан, доктор философии.D., кафедрой биомедицинской инженерии и профессором семьи Стерн в Тафтсе и соавтором-корреспондентом. "Кроме того, тромбоциты могут быть произведены по запросу, что позволяет избежать проблем, связанных с хранением, и в больших количествах, с лучшим качеством и контролем с точки зрения морфологии и функции."
Работа предварительно опубликована онлайн в журнале Blood до публикации в печати.
Производство тромбоцитов в шелковом биореакторе
Тромбоциты могут быть жизненно важными или опасными для жизни. Эти клетки не дают нам истекать кровью от травм, позволяя нашей крови свертываться, но они также играют патологическую роль в сердечных приступах и инсультах, воспалениях и раке. Содержится в губчатых костях, микросреде костного мозга и его "ниши" поддерживать производство тромбоцитов и других клеток крови. Зрелые клетки крови проходят между костным мозгом и кровотоком через кровеносные сосуды, содержащие эндотелиальные клетки и компоненты внеклеточного матрикса (ECM), которые важны для производства здоровых клеток крови.
«Особые свойства протеина шелка были необходимы для успешного воспроизведения этого микросреда», – объясняет Каплан, ведущий исследователь шелка и других новых биоматериалов, чья лаборатория разработала биоинженерные модели мозга и других тканей на основе шелка.
"Белок шелка обладает уникальной молекулярной структурой, которая позволяет моделировать его в широком диапазоне форм и жесткости, характеристик, которые, как было показано, влияют на образование и высвобождение тромбоцитов. Кроме того, шелк биосовместим и обладает способностью стабилизировать биологически активные вещества при нормальных температурах; поэтому мы можем “функционализировать” его, добавив таких агентов," он сказал. Важно отметить, что шелк не активирует тромбоциты, а это означает, что он не вызывает свертывания крови, что позволяет собирать функциональные тромбоциты из биореактора.
Новая система объединила микротрубки из шелка, коллагена и фибронектина, окруженные пористой шелковой губкой. Мегакариоциты, некоторые из которых были получены от пациентов, были засеяны в инженерный микрососуд. Исследователи смогли увеличить производство тромбоцитов в биореакторе, включив в шелк активные эндотелиальные клетки и связанные с эндотелием молекулярные белки, которые поддерживают образование тромбоцитов.
Лабораторные испытания показали, что тромбоциты, образующиеся и извлекаемые из тканевой системы, способны агрегировать и свертываться. Хотя количество тромбоцитов, производимых на мегакариоцит, было ниже, чем обычно производится в организме, исследователи отмечают, что система представляет собой значительный прогресс по сравнению с предыдущими моделями. Масштабируемая природа системы биореактора предоставляет технические возможности для увеличения выхода тромбоцитов в текущих исследованиях.
Помимо предоставления платформы для изучения процессов, регулирующих выработку тромбоцитов и связанных с ними заболеваний, исследователи надеются, что произведенные тромбоциты могут быть использованы в качестве источника факторов роста для заживления ран в регенеративной медицине, включая заживление язв и ожогов, а также стимуляцию регенерация костной ткани в стоматологии и челюстно-лицевой пластической хирургии.
Глобальное сотрудничество
Новая система была разработана в Италии и США, и исследования являются результатом постоянного сотрудничества международной исследовательской группы. Шесть лет назад Балдуини посетила Тафтс, чтобы обсудить свои текущие исследования клеток крови и матричных факторов, которые важны для контроля функций клеток крови.
"Во время нашего обсуждения мы поняли, что существует потенциально большая синергия между ее опытом в области клеток крови и болезней и нашей работой над трехмерными тканевыми системами, включая текущую работу над шелковыми трубчатыми системами для кровеносных сосудов," сказал Каплан. "Это привело к совместным исследованиям, ранней модели и существующей системе, которая не только дает больше тромбоцитов, но и более масштабируема."
По мнению Каплана и Балдуини, совместные исследования, опирающиеся на сильные стороны нескольких исследователей, имеют решающее значение для достижения такого прогресса. Они также согласны с тем, что участие талантливой и мотивированной группы аспирантов и докторантов вносит большой вклад.