Как и из чего делают биоинженерный кровеносный сосуд?

Одной из важных задач тканевого инжиниринга является создание искусственных кровеносных сосудов. Заболевания сердечнососудистой системы стали одной из самых распространённых причин смерти, и занимают лидирующее положение в развитых странах. Дополнительной сложностью для пересадки искусственных сосудов являются случаи, когда она применяется в детском возрасте, когда из-за роста пациента он может «вырасти» из трансплантанта если использовать синтетический материал, не способный к дальнейшему росту в организме. В таких случаях необходима повторная операция, что связано с высоким риском. Замена синтетического трансплантанта биоинженерным могла бы помочь избежать таких неблагоприятных последствий.

Обычно используемые материалы для пересадки – синтетические материалы, собственные сосуды пациента, сосуды доноров или животных. Пересадки живых тканей связаны с меньшим риском тромбоэмболии, но чаще отторгаются и разрушаются организмом. Не всегда удаётся найти у пациента сосуд, который может заменить другой, жизненно необходимый, однако клеточный материал от пациента можно использовать для создания нового, тканеинженерного трансплантанта. Клетки разных людей обладают различной способностью к делению и формированию внеклеточного матрикса. Сложным моментом при использовании  клеток пациента для подготовки трансплантанта является и то, что эти клетки часто изымаются из организма пожилого человека, однако, оптимизируя условия культивирования и увеличивая его длительность можно добиться такого же результата, как при использовании клеток молодых здоровых доноров.

Кровеносные сосуды дают возможность крови выполнять её функции: участвуют в газообмене, доставке питательных веществ, удалении отходов, иммунном ответе. Непосредственно с кровью контактируют клетки эндотелия, средний слой стенки сосуда сложен гладкомышечными клетками, а снаружи сосуды окружены фибробластами. Таким образом, сосуд является сложной, неоднородной структурой, которую необходимо правильно воспроизвести для полноценного функционирования.

Для сборки искусственного сосуда используются коллагеновые каркасы и фибриновые гели. При этом тромбин и фибриноген, с помощью которых можно получить такой гель, можно выделить из крови пациента. Материал для каркаса трансплантанта должен быть биодеградируемым и неимуногенным. Его структура должна быть пористой, чтобы он мог равномерно заселиться клетками. Использование очищенных от клеток внеклеточных структур донорских сосудов также возможно, однако такие структуры могут оказаться иммуногенными, а так же нельзя исключить нарушения их целостности при удалении клеток. Помимо клеток, в каркасе трансплантанта могут находиться цитокины, которые привлекут собственные клетки хозяина после трансплантации. При этом запускается процесс разрушения каркаса и выработки собственного внеклеточного матрикса.

Клетки, заселённые в трансплантант, как правило, быстро теряются после пересадки. Их функция заключается не в формировании структур новой ткани, а в активации регенеративных процессов хозяина. И действительно, заселённые клетками сосуды приживаются гораздо лучше. Используются клетки из разных источников. Можно было бы использовать эндотелиальные и гладкомышечные клетки, если бы они не были медленнорастущим, поскольку длительное культивирование увеличивает риск заражения. Кроме того, их не так просто получить. Использование стволовых клеток является перспективным методом, однако сегодня ещё не до конца понятны последствия их применения, так что до их применения необходимо пройти ещё определённый путь исследований. Для заселения можно использовать мононуклеары костного мозга. Используя гладкомышечные клетки от погибших людей для получения бесклеточного трансплантанта, оптимального эффекта достигли при перемешивании клеток от нескольких человек,  однако, в настоящее время такие действия ограничены законодательно (надлежащей практикой работы с тканями 2009).

 Один из вариантов тарнсплантанта был последовательно собран из слоёв, соответствующих различным слоям стенки сосуда на каркасе. Слои представляли собой листы, заселённые клетками. После того, как внутренний слой был сформирован, клетки были уничтожены. Основной функцией оставшегося внеклеточного материала было предотвращения миграции следующих слоёв в полость сосуда. Когда промежуточный и внешний слои сформировали ткань, каркас был извлечён из сосуда, а его просвет заселён эндотелием.

Культивирование искусственного трансплантанта в течении длительного периода (около 8 недель) в условиях пульсирующего потока жидкости позволяет внеклеточному матриксу сформироваться соответствующим образом, чтобы выдерживать воздействие крови на стенки. Использование биореактора это не только моделированием естественной среды, но и позволит обрабатывать клетки различными стимулирующими формирование матрикса и дифференцировку клеток веществами. Применяя трёхмерные принтеры и биореакторы для создания клеточных структур можно получить трансплантанты сосудов без каркаса, используя способность клеток вырабатывать внеклеточный матрикс.

Различные модели биоинженерных сосудов сейчас успешно проходят клинические испытания. Сложно пока что решить, какая из них лучше на практике и успешнее сочетает параметры цены и качества. Однако надежда на то, что такое лечение станет возможным уже в ближайшее время вполне обоснована.