Ткани сердечных клапанов, которые обычно работают десятилетиями без перерыва, являются одними из самых прочных и долговечных по своей природе, и возможности их восстановления или замены ограничены.
Биоинженер из риса Джейн Гранде-Аллен и ее коллеги работают над созданием заменяющих сердечных клапанов из материалов, максимально точно соответствующих тем, которые производятся природой. «В тканевой инженерии стоит стремиться к большему количеству гелевых каркасов, потому что их можно легко настроить, чтобы они соответствовали жесткости естественной ткани, и исследователи могут инкапсулировать клетки во время сшивания для изучения их в трехмерной среде», – сказала она.
В трехлетнем исследовании ученые внимательно изучили гидрогели на основе гиалуронана, длинной молекулы гликозаминогликана, которая притягивает воду и служит одновременно амортизатором и смазкой в сердечных клапанах. Их работа опубликована в журнале Biomacromolecules Американского химического общества.
Гиалуронан составляет 60 процентов богатого углеводами спонгиозного слоя клапана. Мягкая и гибкая спонгиоза связывает жесткие створки фиброзы и желудочков с обеих сторон каждого из четырех клапанов сердца. Spongiosa должен сочетать в себе замечательную силу и гибкость, чтобы противостоять давлению и растяжению окружающей ткани сердца на протяжении всей жизни.
Исследование, проведенное Гранде-Алленом и аспирантом Дэном Пупери, показало, что естественный гиалуронан, а также синтетический гидрогель, диакрилат полиэтиленгликоля (PEGDA), являются шаблоном для выращивания новой ткани губчатой ткани. Они сообщили о жесткости гидрогеля, а присутствие пептида, известного как RGDS, может быть даже более влиятельным в управлении поведением клеточной культуры.
Каркасы предназначены для разрушения по мере того, как клетки превращаются в естественную ткань, и исследователи заявили, что использование любого типа каркаса может быть лучше, чем полимеры на основе сетки, используемые в наиболее распространенных тканевых сердечных клапанах, потому что, как широко сообщалось, сетки сжимаются. со временем после имплантации в организм.
В лаборатории исследователи Райса создали матрицы биокаффолда из натурального гиалуронана или синтетического PEGDA. Каждый тип каркаса был настроен так, чтобы соответствовать механическим свойствам спонгиозы, и эти два типа использовались для сравнения поведения растущих колоний интерстициальных клеток клапана, которые помогают всем трем слоям клапана поддерживать свою структурную целостность.
«Многие люди интересуются гиалуронаном, потому что он известен как биоактивный материал, естественным образом обнаруживаемый в сердечных клапанах», – сказал Гранд-Аллен. «Мы были удивлены тем, что после того, как гиалуронан стал перекрестно сшиваемым, он превратился в обычный каркасный материал, который больше не был таким биоактивным."
По ее словам, каркасы должны поддерживать биоактивность, чтобы питать клетки и направлять их рост.
«Удобно иметь другой кандидатный материал каркаса, но наше исследование показало, что если вы действительно хотите имитировать углеводный компонент этой области губки, вам, возможно, придется добавить его, а не просто использовать сшитый углевод в качестве каркаса. сам ", – сказал Гранд-Аллен.
По ее словам, гиалуроновые каркасы могут быть эффективными естественными платформами для тестирования реакции клеточных культур на различные углеводные добавки.
Хотя как натуральные, так и синтетические каркасы оказались биологически инертными, исследователи увидели различия в том, как они разрушаются. «PEGDA точно разлагается коллагеназами и совсем не чувствителен к гиалуронидазе, и наоборот», – сказал Пупери. «Клетки могут использовать разные ферменты для разложения различных материалов, даже если они имеют одинаковую жесткость. Это дает нам контроль над тем, как разрушить эшафот."
По словам Пупери, хотя их механические свойства почти идентичны, гидрогель гиалуроновой кислоты рассеивает больше энергии, чем PEGDA. «Мы также наблюдали некоторую активацию фермента гиалуронансинтазы (который производит натуральный гиалуронан), и это может быть хорошо, а может и не быть», – сказал он.
Гранд-Аллен объяснил, что это может предложить новое понимание причин заболевания сердечного клапана. «При многих заболеваниях сердечного клапана увеличивается экспрессия гиалуронансинтазы, поэтому клетки производят больше гиалуронана», – сказала она. "Если они будут продолжать производить больше, они будут накапливаться, поэтому клетки часто будут одновременно включать ферменты, чтобы расщепить его. Это действие в конечном итоге вызывает проблемы, потому что эти фрагменты не исчезают. Маленькие фрагменты гиалуронана очень биологически активны и могут вызывать проблемы с клетками."
В то время как они изучали гиалуронан, команда обнаружила белок, экспрессируемый клетками клапана, который может играть роль в его связывании и деградации.
Белок, известный как KIAA1199, ранее изучался в отношении потери слуха, рака и восстановления кожи, но его присутствие в тканях клапана было неожиданным и будет предметом будущих исследований, сказал Пупери.
«Это большая симфония молекул, которые работают вместе, и ее трудно проанализировать, если вы не знаете всех участников», – сказал Гранд-Аллен. "Поэтому, когда появляется новый игрок, вы задаетесь вопросом, как это связано?
Она сказал.