Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Nová metoda pro tkáňové inženýrství

Belgičtí fyzici možná brzy pokoří jednu z největších výzev tkáňového inženýrství. Nedávno představili novou metodu výroby cévního systému pro umělé tkáně a orgány. Ta spočívá ve vytváření pórovitých stavebních bloků s předem zabudovanou sítí vlásečnic a v následném využití 3D biotisku.

Tkáňové inženýrství je multidisciplinární obor, ve kterém se buňky a další materiály využívají k zachování, obnově nebo vylepšení fyzikálních vlastností živé tkáně. Jednou z největších výzev pro tkáňové inženýry je vytvoření umělé tkáně či celého orgánu, který bude vybaven funkčním cévním systémem, tedy kompletní sítí žil a vlásečnic (kapilár). Struktury vytvořené tímto odvětvím mohou sloužit pacientům jako náhrady v těle, ale také vědcům pro studium onemocnění nebo k testování vlivu drog.

I když se vědcům v posledních letech podařilo v tomto oboru dosáhnout velkého pokroku, výroba širších tkáňových celků a orgánů zůstává stále velkým problémem. Je totiž o dost jednodušší vyrobit jen tenké tkáňové struktury s nízkým metabolismem, jako je kůže nebo chrupavka, než vytvořit celý 3D objekt. Problém tkví v tom, že buňky nemohou v prostoru difundovat více než přibližně 100 až 200 mikrometrů. To znamená, že ty, které leží hluboko uvnitř objektu, nemají přístup k dostatečnému množství živin a kyslíku, a v důsledku toho ztrácejí životaschopnost.

Výměna živin a kyslíku mezi krví a tkáněmi probíhá u živých organismů prostřednictvím sítě cév a vlásečnic. Vědci se proto snaží najít způsob, jak podobnou strukturu vyrobit i v umělých 3D tkáních. Důležité přitom je, aby taková struktura prostupovala celou umělou tkání nebo orgánem. Protože výměna živin a kyslíku probíhá převážně v těch nejjemnějších částech řečiště, je potřeba vyrobit úplnou stromovitou strukturu o rozměrech od milimetrů až po mikrometry.

I když větší cévy mohou být vyrobeny vložením kanálů tištěných z bioinkoustu – to jsou biologické materiály obsahující tkáňové buňky – drobnější cévy se touto cestou vyrábějí obtížněji, protože technologie biotisku má omezenou rozlišovací schopnost.

Belgičtí fyzici využili při vytváření větších tkáňových celků tzv. buněčné samosestavování. Stavebními prvky byly v tomto případě tzv. sféroidy (rotační elipsoid, jehož dvě poloosy jsou stejné) nebo mikrotkáně se specifickou mikroarchitekturou.

Malé sféroidy stejného tvaru se vytvářejí spontánně „vysemeněním“ buněk do polymerových formiček obsahujících 2 865 pórů o průměru 200 mikrometrů. Když je buněčná suspenze umístěna do formičky, buňky v důsledku gravitace padají na dno pórů. Zde jsou nuceny interagovat s ostatními, což způsobuje, že se samy uspořádají do sféroidů.

Vytvořené sféroidy mohou být přímo použity k formování makroskopických tkáňových struktur pomocí 3D biotisku. Tato strategie je založena na řazení buněk a spojování mikrotkání. Buňky organizované do sféroidů se mohou spojovat do makroskopických tkáňových útvarů procesem, který se dá vysvětlit pomocí „differential adhesion hypothesis“. Znamená to, že multibuněčné tkáně se díky svému povrchovému napětí chovají jako kapaliny a budou se přeskupovat a spojovat tak, aby maximalizovaly své adhezivní vazby a minimalizovaly volnou energii.

Fyzici umístili do jedné formičky 750 000 buněk a vyprodukovali 2 865 sféroidů. Každý sféroid tak obsahoval přibližně 262 buněk. Sféroidy mají průměr kolem 125 mikrometrů, což je velikost kompatibilní s technikou biotisku, která používá jehly o průměru kolem 200 mikrometrů.

Vlastnosti sféroidů jsou závislé na tom, jaký typ buněk obsahují a jaké buňky je zaopatřují. V této studii fyzici pracovali se třemi druhy lidských buněk, a to s endoteliálními buňkami (HUVEC), fibroblasty (HFF) a mezenchymálními buňkami (ADSC) v různých poměrech. Endoteliální buňky mohou být pěstovány společně s fibroblasty nebo mezenchymálními buňkami, aby se podpořila angiogeneze (vytváření krevních cest).

Vědci testovali různá složení a zjistili, že poměr HUVEC a zaopatřujících buněk v poměru 1:9 produkuje nejstabilnější sféroidy. Přišli také na to, že kapilární sítě vytvořené ve sféroidech, obsahujících ADSC se sféroidy většího průměru (> 170 mikrometrů), vytvářejí rozvětvenější kapilární strukturu. Navíc ukázali, že se jednotlivé sféroidy v suspenzi spojují dohromady do 24 hodin a za 4 dny se rozvětvená kapilární struktura rozšíří celou konstrukcí. I když jsou ponořeny v hydrogelu, který bude sloužit jako bioinkoust, sféroidy se začínají spojovat už za 18 hodin.

Fyzici teď chystají další experimenty in vitro, které jim pomohou najít nejlepší látku, jež by mohla sloužit jako bioinkoust pro vytváření struktur s cévami. Potom již přijdou na řadu experimenty in vivo, které ukáží, jak se umělá konstrukce spojuje s reálnou tkání hostitele.

Práce byla uveřejněna v Biofabrication.


Mohlo by vás zajímat:

Nobelova cena za fyziku 2018
Tření má paměť
Přírodní jaderné reaktory
Jak příroda varuje před katastrofami

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop