Magnetohallittu verisuonikasvu kudostekniikassa sovelluksiin

Pieni magneetti, kollageenigeeli ja postimerkkiä kooltaan vastaava siru tekevät odottamattoman asian: ne järjestävät eläviä verisuonia sillä tarkkuudella, jota kudosinsinöörit ovat tavoittelemassa vuosikymmeniä. Pienet hiussuonet, jotka ohjaavat happea ja ravinteita kudoksen läpi ja ovat niin ohuita, että punasolut usein kulkevat yksitellen, on tunnetusti vaikea jäljitellä laboratoriossa. Tämä uusi menetelmä käyttää hallittua magneettista vetoa ohjaamaan endoteelisoluja muodostamaan järjestäytyneitä verisuoniverkostoja.

Se kuulostaa lähes elokuvalliselta. Laite sisältää kollageeniin upotettuja endoteelisoluyksiköitä, joka on kehon luonnollinen tukiranka. Mikromagneetti on geelin sisällä. Ulkoiset magneetit nykäisevät ja siirtävät pientä magneettia kolmessa ulottuvuudessa, venyttäen ympäröivää matriksia ja siinä olevia soluja. Muuta vetoa, ja muokkaat verisuonokuvioita: lisää suonia, vähemmän suonia, pidempiä säikeitä tai lyhyempiä haaroja. MITin ryhmä osoitti voivansa säätää näitä piirteitä muuttamalla magneettivedon voimakkuutta ja rytmiä, jopa kokeilemalla vuorottelevia vetoja taajuuksilla kuten 1 ja 15 Hz tutkiakseen, miten dynamiikka vaikuttaa kasvuun.

Keinotekoiset verisuonet muodostettiin mekaanisen venytyksen avulla.

Miksi tämä on tärkeää? Siksi, että elimet ja keinotekoiset kudokset pärjäävät tai kuolevat verenkierron varassa. Ilman sisäistä putkistoa valtimoineen, laskimoineen ja hiussuonineen, jotka ovat oikeassa tiheydessä ja suunnassa, laboratoriossa kasvatetun kudoksen solut nääntyvät. Kemialliset signaalit ja 3D-tulostus ovat olleet hyödyllisiä, mutta ne usein epäonnistuvat luonnollisen angiogeneesin hienovaraiseen koreografiaan. Mekaaniset vihjeet osoittautuvat voimakkaaksi ja ohjelmoitavaksi työkaluksi.

Biologinen käänne on myös mukana. Tutkijat testasivat soluja, joilta puuttui PIEZO1-geeni, joka koodaa mekaanisesti herkän ionikanavan (ajattele sitä porttina, joka avautuu, kun solukalvo tuntee paineen). Kun PIEZO1 oli poissa toiminnasta, magneettinen venytys tuotti vähemmän uusia hiussuonia, mikä osoittaa, että kasvuvaste riippuu siitä, että solut havaitsevat voiman. Lyhyesti: fysiikka luo näyttämön, solut tulkitsevat vihjeen ja toimivat.

Tämä magneettinen lähestymistapa on sovellus samoista tekniikoista, joita sama ryhmä on käyttänyt keinotekoisten lihasten ja hermojen kuviointiin. Verisuonien ohjaaminen on kuitenkin haastavampaa. Hiussuonet ovat kertaluokkaa ohuempia kuin ihmisen hius, millimetrin murto-osia, jotka on yhdistettävä kudostukirakenteen läpi ja joiden on päästävä johtamaan verta ilman hyytymistä tai vuotoa. MITin johtama ryhmä julkaisi havainnot PNAS-lehdessä, ja niiden tiedot viittaavat siihen, että magneettinen koreografia lisää sekä syntyvien suonien määrää että pituutta verrattuna staattisiin kontrolliryhmiin.

Tutkijat mittasivat magneettien vaihtelevan vaikutuksen alaisena (1 ja 15 Hz) kasvaneiden keinotekoisten verisuonten lukumäärää ja pituutta verrattuna käsittelemättömiin soluihin ja staattisiin kontrolliryhmiin.

Käytännön haasteita on silti jäljellä. Tällä hetkellä kokeissa seurataan suonien lukumäärää ja geometriaa. Seuraava askel on toiminnallinen: voidaanko näitä kanavia perfusoida verellä tai verenvaihtoehdoilla? Voivatko ne integroitua keinotekoisen lihaksen tai muiden kudosten kanssa ja parantaa toimivuutta käytännössä? Varhaisia kokeita tehdään jo sitomalla laboratoriossa kasvatettua lihasta näiden magneettikuvioitujen suonien ympärille selvittääkseen, selviytyvätkö ja supistuvatko lihassolut paremmin, kun niille tarjotaan säädettyä mikroverenkiertoa.

Seuraukset ovat suuria mutta maltillisia. Tämä ei ole oikotie kokonaisten elinten valmistukseen yön aikana. Se on kuitenkin uusi työkalu verisuonivalikoimaan, joka lisää fyysistä kuviointia olemassa oleviin kemiallisiin ja tulostusmenetelmiin. Kuvittele ohjaavasi kudoksen kasvua kuten kapellimestari muokkaa orkesteria: osa osioista voimistuu, osa hiljenee, ja kokonaisuus tuottaa jotakin enemmän kuin osiensa summa.

Mekaaniset voimat eivät ole vain sivuseikka; ne ovat ohjelmoitava kieli kudosten rakentamiseen järjestäytyneine verisuonineen.

Jos magneetin ohjaama kasvu jatkaa osoittautumistaan luotettavaksi ja turvalliseksi, seuraava vuosikymmen voi tuoda implanttien ja siirteiden sisäiset putkistot räätälöityinä. Se muuttaisi tapaa, jolla korjaamme elimiä, hoidamme vammoja ja ehkä myös tapaa, jolla kirurgit suunnittelevat rekonstruktioita, fysiikan ja biologian yhdistyessä ompelemaan elämää takaisin paikalleen.