Исследователи разработали новые биочернила, в которых используется гормон замедленного высвобождения, способствующий росту и регенерации мышечных тканей, напечатанных на 3D-принтере. Их подход открывает двери для разработки новых методов лечения, которые помогут людям, потерявшим или повредившим мышечную массу из-за травмы, болезни или хирургического вмешательства.
Создание мышечной ткани, подобной нативной, может оказаться непростым делом. Ткань состоит из множества различных типов клеток, а среда вокруг мышц регулируется сложными биохимическими и биомеханическими путями, включая воспалительные цитокины и факторы роста, которые поддерживают внутреннюю стабильность и поддерживают восстановление тканей.
В настоящее время восстановление мышц, поврежденных или утраченных в результате травмы, болезни или хирургического вмешательства, включает перенос здоровых мышц в пораженный участок — метод, называемый аутологичным переносом. Это не идеальный вариант, поскольку негативно влияет на область, из которой взята здоровая ткань, а такие осложнения, как плохая иннервация, могут препятствовать функциональному восстановлению мышц.
Теперь исследователи из Института биомедицинских инноваций Терасаки (TIBI) в Лос-Анджелесе разработали новый улучшенный биочернил, позволяющий улучшить конструкции скелетных мышц, напечатанные на 3D-принтере, и преодолеть ограничения аутологичного переноса.
Нормальный скелет. Развитие мышц — это постепенный процесс, который опирается на миобласты, предшественники мышечных клеток, которые сливаются вместе, образуя мышечные трубки, которые в конечном итоге становятся мышечными волокнами. Этот процесс называется миогенезом. Таким образом, при конструировании мышц крайне важно, чтобы функциональность поддерживалась за счет структурного выравнивания созревающих мышечных клеток и повышения их выживаемости.
Чтобы имитировать миогенез, исследователи использовали ключевой ингредиент своих специально разработанных биочернил: инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1), гормон с молекулярной структурой, сходной с инсулином, который, наряду с гормоном роста, жизненно важен для нормального функционирования организма. рост и развитие костей и тканей.
Биочернила состоят из биосовместимого гидрогеля на основе желатина, называемого метакрилоил желатина (GeIMA), клеток миобластов и микрочастиц PLGA, покрытых IGF-1, предназначенных для медленного высвобождения гормона по мере разрушения частиц. Поли(молочно-гликолевая кислота) или PLGA является одной из наиболее эффективных биоразлагаемых полимерных наночастиц благодаря своим свойствам замедленного высвобождения, низкой токсичности и биосовместимости. Контрольная версия биочернил была создана без IGF-1.
Исследователи обнаружили, что через три дня после биопечати мышечных конструкций миобласты оказались жизнеспособными, что подтверждает, что процесс печати не повредил клетки. Они наблюдали усиление выравнивания миобластов и слияние миобластов с образованием мышечных трубочек, которые были значительно длиннее и шире в конструкциях, содержащих IGF-1. Миотубы покрывали 25% площади в состоянии PLGA/IGF-1 по сравнению с менее чем 16% в контрольном состоянии.
Примерно через 10 дней после биопечати сформированная ткань начала самопроизвольно сокращаться с достаточной силой. Сила, которая потрясла гидрогелевую подложку, как видно на видео ниже. Амплитуда сокращений была значительно выше в областях, в которых происходит замедленное высвобождение IGF-1.
Мышечные клетки, напечатанные на 3D-принтере, спонтанно сокращаются
Затем исследователи имплантировали напечатанные на 3D-принтере мышечные конструкции мышам. Через шесть недель мыши, получившие конструкции с пролонгированным высвобождением IGF-1, показали наибольшую регенерацию мышечной ткани. Они пришли к выводу, что результаты исследования убедительно свидетельствуют о том, что их новый биочернил позволил развить сократительную трехмерную структуру, очень напоминающую нативную мышечную ткань.
«Продолжительное высвобождение IGF-1 способствует созреванию и выравниванию мышечных клеток. что является решающим шагом в восстановлении и регенерации мышечной ткани», — сказал Али Хадемхосейни, автор исследования. «Существует большой потенциал использования этой стратегии для терапевтического создания функциональной сократительной мышечной ткани».
Исследование было опубликовано в журнале Macromolecular Bioscience.
