Σημαντική εξέλιξη από το MIT για την ανάπτυξη βιώσιμων τεχνητών οργάνων

Σύνοψη

• Μηχανικοί του MIT ανέπτυξαν ένα σύστημα «αιμοφόρου αγγείου σε chip», χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία για την καθοδηγούμενη ανάπτυξη τριχοειδών αγγείων.
• Η μηχανική διάταση του ιστού κατά 5% δημιουργεί πολλαπλά νέα αγγεία, ενώ διάταση κατά 15% οδηγεί σε λιγότερα αλλά μεγαλύτερου μήκους τριχοειδή.
• Η κατεύθυνση της ανάπτυξης των αγγείων είναι πλήρως ελεγχόμενη μέσω της αλλαγής της γωνίας της μαγνητικής έλξης.
• Η διαδικασία βασίζεται στο γονίδιο PIEZO1, το οποίο ρυθμίζει τα μηχανοευαίσθητα κανάλια ιόντων των ενδοθηλιακών κυττάρων.
• Η ανακάλυψη ξεπερνά τους περιορισμούς των σημερινών 3D bioprinters, προσφέροντας λύση στο βασικότερο πρόβλημα της δημιουργίας τεχνητών οργάνων, την αγγείωση.

Η δημιουργία βιώσιμων τεχνητών οργάνων παραμένει ένα από τα πιο σύνθετα τεχνικά προβλήματα της σύγχρονης βιομηχανικής. Ενώ οι ερευνητές έχουν καταφέρει να αναπτύξουν επιμέρους τεχνητούς ιστούς, όπως μύες, δέρμα και ηπατικά κύτταρα, η διατήρησή τους εν ζωή απαιτεί ένα εξαιρετικά πυκνό και οργανωμένο δίκτυο τριχοειδών αιμοφόρων αγγείων για την παροχή θρεπτικών συστατικών και οξυγόνου. Χωρίς αυτό το δίκτυο, τα κύτταρα στο εσωτερικό των τεχνητών ιστών νεκρώνονται γρήγορα. 

Ερευνητές από το MIT, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Harvard, παρουσίασαν μια νέα μέθοδο ελέγχου της αγγειογένεσης η οποία αξιοποιεί τη μηχανική διέγερση μέσω μαγνητικών πεδίων, παρακάμπτοντας τους περιορισμούς των υφιστάμενων τεχνικών βιοεκτύπωσης.

Η αρχιτεκτονική του «αιμοφόρου αγγείου σε chip»

Η μέθοδος του MIT βασίζεται στην ενσωμάτωση μιας κεντρικής τεχνητής αρτηρίας από ανθρώπινα ενδοθηλιακά κύτταρα μέσα σε ένα υδροτζέλ, το οποίο περιέχει μικρομαγνήτες. Η χρήση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου προκαλεί τη στοχευμένη μηχανική παραμόρφωση του τζελ, αναγκάζοντας τα κύτταρα να αναπτύξουν νέα τριχοειδή αγγεία βάσει συγκεκριμένων προτύπων.

Οι παραδοσιακοί 3D bioprinters διαθέτουν την ικανότητα εκτύπωσης μεγάλων αιμοφόρων αγγείων (αρτηρίες και φλέβες), ωστόσο, η ανάλυση τους δεν επαρκεί για την κατασκευή τριχοειδών αγγείων, τα οποία συχνά έχουν διάμετρο μικρότερη από αυτή μιας ανθρώπινης τρίχας. Η ερευνητική ομάδα επέλεξε μια βιολογική, “bottom-up” προσέγγιση δημιουργώντας ένα μικρορευστομηχανικό chip μεγέθους μικρότερου από ένα γραμματόσημο.

Μέσα σε αυτό το chip, σχημάτισαν ένα κοίλο κανάλι στο εσωτερικό ενός θρεπτικού υδροτζέλ και το επένδυσαν με ζωντανά ανθρώπινα ενδοθηλιακά κύτταρα, τα οποία φυσιολογικά επενδύουν το εσωτερικό των αιμοφόρων αγγείων στον ανθρώπινο οργανισμό. Το καινοτόμο στοιχείο του σχεδιασμού έγκειται στην ενσωμάτωση μαγνητικών σωματιδίων μέσα στη μήτρα του τζελ. Τοποθετώντας τη διάταξη πάνω από μια μηχανοκίνητη πλατφόρμα εξοπλισμένη με εξωτερικούς μαγνήτες, η ομάδα μπόρεσε να κινήσει το τζελ και την τεχνητή αρτηρία με απόλυτη ακρίβεια.

• Επίδραση διάτασης 5%: Η επαναλαμβανόμενη μετακίνηση που προκαλούσε επιμήκυνση του τζελ κατά 5% του συνολικού του πλάτους, οδήγησε στην ανάπτυξη μεγάλου αριθμού νέων, μικρών τριχοειδών αγγείων γύρω από την κεντρική αρτηρία.
• Επίδραση διάτασης 15%: Η αύξηση της τάσης στο 15% μείωσε τον συνολικό αριθμό των νέων αγγείων, αλλά αύξησε σημαντικά το τελικό τους μήκος.
• Κατευθυντικός έλεγχος: Η αλλαγή του άξονα της μαγνητικής έλξης ανάγκασε τα αναπτυσσόμενα αγγεία να αλλάξουν πορεία, δημιουργώντας συγκεκριμένες χωρικές διατάξεις, απαραίτητες για την αιμάτωση πολύπλοκων τρισδιάστατων δομών.

Η απλή παρουσία των ενδοθηλιακών κυττάρων σε ένα στατικό περιβάλλον παράγει τυχαία και αποδιοργανωμένη αγγειογένεση, τη στιγμή που η προσθήκη της μηχανικής διέγερσης λειτουργεί ως συνεκτικός κώδικας μορφογένεσης.

Ο μηχανισμός μεταγωγής σήματος και το γονίδιο PIEZO1

Ο έλεγχος της αγγειογένεσης επιτυγχάνεται μέσω του γονιδίου PIEZO1, το οποίο κωδικοποιεί μηχανοευαίσθητα κανάλια ιόντων στις μεμβράνες των κυττάρων. Όταν εφαρμόζεται μαγνητική τάση, τα κανάλια ανοίγουν επιτρέποντας την είσοδο ιόντων ασβεστίου, δίνοντας το βιοχημικό σήμα για την ανάπτυξη νέων κυτταρικών διακλαδώσεων.

Η κατανόηση του μοριακού μηχανισμού πίσω από την ανάπτυξη των αγγείων βασίστηκε στο έργο του νομπελίστα βιολόγου Ardem Patapoutian, ο οποίος ανακάλυψε τους υποδοχείς PIEZO1 και PIEZO2. Οι συγκεκριμένοι υποδοχείς λειτουργούν ως «πύλες» στην κυτταρική μεμβράνη, μεταφράζοντας τις εξωτερικές φυσικές δυνάμεις σε βιοχημικά σήματα εντός του κυττάρου.

Για να επιβεβαιώσουν τον ρόλο του PIEZO1 στο πείραμα τους, οι ερευνητές του MIT προχώρησαν σε γενετική τροποποίηση των ενδοθηλιακών κυττάρων, εφαρμόζοντας τεχνικές σίγησης του συγκεκριμένου γονιδίου. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως όταν τα τροποποιημένα κύτταρα υποβλήθηκαν στην ίδια μαγνητική διέγερση, η ανάπτυξη νέων τριχοειδών αγγείων μειώθηκε δραματικά. Η απόδειξη αυτής της αιτιώδους σχέσης (μηχανική τάση → ενεργοποίηση PIEZO1 → αγγειογένεση) προσφέρει έναν ξεκάθαρο στόχο για φαρμακολογικές ή γενετικές παρεμβάσεις στη μηχανική ιστών.

Επιπλέον, η ερευνητική ομάδα είχε προηγουμένως εφαρμόσει παρόμοια μαγνητικά πρωτόκολλα για την ανάπτυξη τεχνητών μυϊκών και νευρικών ινών, αποδεικνύοντας ότι η μετατροπή της φυσικής άσκησης (“stretching”) σε κυτταρική ανάπτυξη αποτελεί έναν καθολικό μηχανισμό προσαρμογής των ιστών.

Η άποψη του Techgear

Η επιτυχής χωρική καθοδήγηση της αγγειογένεσης μέσω μαγνητικών πεδίων συνιστά ένα εξαιρετικά σημαντικό βήμα προς την κατασκευή λειτουργικών συμπαγών οργάνων, όπως το ήπαρ και οι νεφροί. Αντί να προσπαθούμε να εκτυπώσουμε δίκτυα μικρομέτρων (μια διαδικασία εξαιρετικά αργή και με μεγάλα ποσοστά σφαλμάτων) η μέθοδος του MIT επιτρέπει στην ίδια τη βιολογία να ολοκληρώσει την εργασία, χρησιμοποιώντας απλές φυσικές δυνάμεις ως «τιμόνι».

Θα πρέπει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι η εμπορική διαθεσιμότητα και η κλινική εφαρμογή στον άνθρωπο απέχουν τουλάχιστον 10-15 χρόνια. Το επόμενο κρίσιμο στάδιο για τους ερευνητές θα είναι η επιτυχής ενσωμάτωση αυτών των ελεγχόμενων αγγειακών δικτύων σε μεγάλου μεγέθους τεχνητούς μυϊκούς ιστούς και η επιβεβαίωση της λειτουργικότητάς τους σε μοντέλα in vivo (ζωικά μοντέλα). Η μετάβαση από το chip μεγέθους γραμματοσήμου σε όργανα κανονικού μεγέθους θα απαιτήσει εκθετική αύξηση της πολυπλοκότητας των μαγνητικών πεδίων, καθώς και αντιμετώπιση του υψηλού κόστους κλιμάκωσης της παραγωγής βλαστοκυττάρων.