Команда исследователей из Массачусетской общей больницы сделала первые шаги к разработке биоискусственных запасных конечностей, пригодных для трансплантации.

 биоинженерную переднюю конечность Суспензию предшественников мышечных клеток вводят в бесклеточную матрицу конечности крысы, которая обеспечивает форму и структуру, в которой регенерирующие ткани могут расти.

 

В своем докладе, который был опубликован на сайте журналы Biomaterials, исследователи описали использование экспериментального подхода, ранее использованного для создания биоискусственных органов, в создании конечностей щура с функционирующей сосудистой и мышечной тканью. Они также представили доказательства, что этот подход может использоваться для создания конечностей приматов.

«Комбинированное строение наших конечностей делает создание функциональных биологических трансплантатов особенно сложным, — объяснил Харальд Отт, доктор медицинских наук, из отделения хирургии Массачусетской общей больницы и Центра регенеративной медицины, старший автор статьи. – Конечности содержат мышцы, кости, хрящи, кровеносные сосуды, связки и нервы – каждый из которых надо восстановить; необходима специфическая поддерживающая структура, названная матрицей. Мы показали, что можем поддерживать матрицу всех этих тканей в их природных взаимоотношениях друг с другом, так что мы можем выращивать всю конструкцию в течение длительных периодов времени, мы можем развить сосудистую систему и мускулатуру».

Авторы отмечают, что более 1,5 миллиона человек в США потеряли конечности, и, хотя технологии протезирования значительно продвинулись, устройства все еще имеют много ограничений с точки зрения своей функциональности и внешнего вида. За последние два десятилетия многим пациентам провели трансплантацию донорских рук, и, хотя эти процедуры могут значительно улучшить качество жизни, эти больные также получают все риски длительной иммуносупрессивной терапии. Хотя клетки-предшественники, необходимые для регенерации всех тканей, которые составляют конечность, могут быть предоставлены потенциальному реципиенту, до сих пор отсутствовала матрица или каркас, на котором клетки могут вырастать в необходимые ткани.

Нынешнее исследование использовало технологию, разработанную доктором Оттом в Университете Миннесоты, в которой живые клетки вымывались из донорского органа при помощи раствора-детергента, а на оставшаяся матрица затем заселялась клетками-предшественниками, которые подходили конкретному органу. Его команда из Массачусетской общей больницы и он сам использовали эту децелюляризационную (обесклечивающую) технику для регенерации почек, печени, сердца и легких животных моделей, но это первое сообщение о создании более комплексных тканей биоискусственной конечности.

Тот же процесс децелюляризации, использованый в исследованиях целых органов – перфузия раствором-детергентом через сосудистую систему – был использован для вымывания всего клеточного материала из передних конечностей, удаленных у умерших крыс способом, сохранившим изначальную сосудистую и нервную матрицу. После тщательного удаления клеточного компонента – процесс, занявший неделю, — то, что осталось – было бесклеточной матрицей, которая обеспечивала структуру всех тканей, составляющих конечность. В то же время, мышечные и сосудистые ткани были выращены в культуре.

Затем исследовательская команда выращивала матрицу передней конечности в биореакторе, в котором сосудистые клетки были введены в главную артерию конечности для регенерации вен и артерий. Клетки-предшественники мышц были введены непосредственно в оболочки матриц, определяющие позицию каждой мышцы. После пяти дней выращивания, к потенциальному трансплантату конечности была применена электрическая стимуляция для того, чтобы содействовать формированию мышц. Через две недели трансплантаты были удалены из биореактора. Анализ биоискусственных конечностей подтвердил присутствие сосудистых клеток вдоль стенок кровеносных сосудов и мышечных клеток, которые развились в соответствующие волокна в мышечной матрице.

биоинженерную переднюю конечность После того, как клетки-предшественники сосудов и мышц были введены в децелюляризированную конечность крысы, она была помещена в биореактор, в котором осуществлялась поставка питательного раствора и электрическая стимуляция для того, чтобы поддержать и поощрить рост новых тканей.

Функциональное тестирование изолированных конечностей показало, что электрическая стимуляция мышечных волокон заставляла их сокращаться с силой в 80% от той, которую можно обнаружить у новорожденных животных. Сосудистая система биоискусственных передних конечностей, пересаженных животным-реципиентам, быстро наполнилась кровью, которая продолжала циркулировать, а электрическая стимуляция мышц пересаженного трансплантата сгибала суставы запястья и пальцев лап животных. Исследователи также успешно децелюляризировала предплечье бабуина, чтобы подтвердить возможность использования этого подхода у больных людей.

Доктор Отт отметил, что, хотя выращивание нервов в трансплантате конечности и реинтеграция их с нервной системой реципиента является одной из ближайших задач, которые нужно решить, опыт пациентов, которым пересадили трансплантаты руки, является многообещающим. «При клинической трансплантации конечности, нервы врастают в трансплантат, делая возможным движения и ощущения, и мы узнали, что этот процесс в значительной степени направляется нервной матрицей внутри трансплантата. Мы надеемся в будущих работах показать, что это же будет происходить и в биоискусственных трансплантатах. Следующие дополнительные шаги буут состоять в повторе нашего успеха в мышечной регенерации человеческих клеток и его расширение на ткани других типов, например – кости, хрящи и соединительную ткань.