Сосудистая тканевая инженерия стала фундаментальной областью исследований в регенеративной медицине, особенно для поддержки ткани печени. Сложная кровоснабжение печени является центральным для его метаболических, детоксикационных и эндокринных функций, и репликация этой сложной сосудистой сети в инженерных тканях остается серьезной проблемой. Последние достижения направлены на создание функциональных, стабильных сосудистых сетей, которые могут беспрепятственно интегрироваться с нативной печеночной тканью, прокладывая путь для улучшения результатов трансплантации печени, биоискусственных устройств печени и платформ тестирования лекарств. В этой статье рассматривается текущее состояние сосудистой тканевой инженерии для печени, уделяя особое внимание ключевым инновациям в проектировании каркаса, биопечати, технологиям стволовых клеток и постоянным препятствиям, которые должны быть преодолены для клинического перевода.

Понимание вазкуляризации печени

Печень является одним из наиболее сильно васкуляризованных органов в организме, получая примерно 25-30% сердечного выброса. Она имеет двойное кровоснабжение: печеночная артерия (богатая кислородом) и портальная вена (богатая питательными веществами). Эти сосуды разветвляются на портальные триады и в конечном итоге питаются печеночными синусоидами, специализированными капиллярными каналами, выстланными фенестратными эндотелиальными клетками. Этот фенестратный эндотелий наряду с отсутствием непрерывной базальной мембраны позволяет эффективно обмениваться метаболитами и макромолекулами между кровью и гепатоцитами. Синусоиды сливаются в центральные вены, которые сходятся, образуя печеночные вены. Пространственная организация кровотока создает кислород и градиенты питательных веществ вдоль дольки печени, что приводит к зонированию функций гепатоцитов (например, перипортальные клетки больше участвуют в глюконеогенезе, в то время как перицентральные клетки выполняют детоксикацию

Для тканевой инженерии критически важно воссоздание не только макроархитектуры, но и микрососудистой организации. Неэффективная васкуляризация приводит к центральному некрозу, ограниченному размеру конструкции и плохой выживаемости трансплантата. Имитирование фенестратированного эндотелия, контроль градиентов кислорода и установление стабильной, долгосрочной перфузии являются важными критериями проектирования.

Последние достижения в области дизайна сосудистых лесов

Скаффолды обеспечивают структурную основу для прикрепления клеток, миграции и формирования сосудистой сети. Последние инновации сосредоточены на материалах, которые активно способствуют ангиогенезу при деградации со скоростью, соответствующей регенерации тканей. Широко используются биоразлагаемые полимеры, такие как поликапролактон (PCL), поли(лактико-гликолевая кислота) (PLGA) и поли(глицериновый себакат). Их можно изготавливать в различных архитектурах, включая пористые губки, электроспуновые нановолоконные сетки и 3D-печатные сетки. Для усиления васкуляризации исследователи включают в каркасы биоактивные молекулы, такие как сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF), фактор роста фибробластов (FGF) и гепатоцитарный фактор роста (HGF). Контролируемые системы высвобождения с использованием гепаринового связывания или инкапсуляции микросферы поддерживают градиенты фактора роста, которые направляют рост новых сосудов.

Децеллюляризированные внеклеточные матриксовые (dECM) каркасы представляют собой еще одно перспективное направление. Удаляя клеточный материал из донорской печени при сохранении нативной сосудистой архитектуры, эти каркасы обеспечивают естественный шаблон для посевных клеток. Стратегии рецеллюляризации показали частичное восстановление функции печени, но достижение полной эндотелиальной слизистой оболочки и предотвращение тромбоза остаются активными областями исследования. Исследование 2021 года в Биоматериалы продемонстрировали, что каркасы ДНК крысы, повторно заселённые эндотелиальными клетками человека, могут поддерживать перфузию в течение 14 дней (Биоматериалы, 2021] .

Микрофлюидные и канальные строительные леса

Инженерные предварительно сформированные сосудистые каналы в каркасах являются эффективным способом обеспечения немедленной перфузии. Мягкая литография и фотолитография позволяют создавать микрофлюидные сети из гидрогелей (например, коллагена, фибрина или желатинового метакрилата). Эти сети могут быть выстланы эндотелиальными клетками для формирования функциональных люменов сосудов. Путем подключения входа и выхода к перфузионному биореактору кислород и питательные вещества могут быть доставлены глубоко в конструкцию. Недавние работы также ввели концепцию устройств «сосуда на чипе», которые включают несколько типов клеток (например, гепатоциты, звездчатые клетки, клетки Купфера) наряду с сосудистым отделением, что позволяет изучать повреждение печени, вызванное лекарственными препаратами, в более физиологически релевантном контексте.

3D методы биопечати

3D-биопечать произвела революцию в способности размещать клетки и компоненты внеклеточного матрикса с точностью микрометра, создавая сложные иерархические сосудистые сети. Два основных подхода - экструзионная биопечать и цифровая обработка света (DLP). Экструзионная биопечать использует клеточные биоинки (такие как альгинат, желатин или фибрин) для печати слоя за слоем. Основным достижением является использование жертвенных биоинков (например, Pluronic F127 или желатин) для печати временных каналов, которые позже эвакуируются, оставляя после себя полые сосудистые каналы. Эти каналы могут быть затем эндотелиализованы перфузией.

В печати на основе DLP используется фотомаска для одновременного лечения целого слоя, что позволяет быстрее изготавливать и иметь более высокое разрешение. Исследователи напечатали печеночные лобулоподобные конструкции с повторяющимся рисунком гексагональных зон гепатоцитов и центральным венозным каналом. В статье 2022 года, опубликованной в Advanced Healthcare Materials, команда напечатала модель васкуляризированной ткани печени, которая показала секрецию альбумина и активность цитохрома P450, сравнимую с нативной тканью в течение 14 дней . Эти достижения приближают поле к производству имплантируемых тканевых конструкций.

Стволовые клетки и васкуляризация

Эндотелиальные клетки необходимы для выстилания сосудистых структур, и их получение в достаточном количестве и качестве является узким местом. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC)-производные эндотелиальные клетки (iPSC-EC) появились в качестве масштабируемого источника. iPSC-EC могут быть получены с высокой чистотой и могут быть использованы для создания сосудистых сетей, специфичных для пациента, потенциально снижая иммунный отторжение. Было показано, что они самособираются в капиллярные сети при засеянии в соответствующих гидрогелях, процесс, известный как управляемый васкулогенез.

Сокультура с мезенхимальными стволовыми клетками (МКС) или перицитами повышает стабильность и созревание сосудов. МКС выделяют проангиогенные факторы (например, VEGF, ангиопоэтин-1) и могут дифференцироваться в клетки, подобные гладким мышцам, которые стабилизируют зарождающиеся сосуды. В одном исследовании совместно культивируемые iPSC-EC и MSC в фибриновом гидрогеле, образованном перфузирующимися микрососудами, которые оставались патентованными в течение трех недель в модели мыши. Кроме того, было изучено использование эндотелиальных клеток-предшественников (EPC) из периферической крови или пуповинной крови, хотя их репликативная способность ограничена по сравнению с iPSC-EC. Недавний обзор в Переводная медицина стволовых клеток подчеркнул необходимость стандартизированных протоколов для генерации и оценки эндотелиальной функции для васкуляризированных тканевых конструкций .

Проблемы и будущие направления

Несмотря на прогресс, необходимо решить несколько препятствий, прежде чем васкуляризированная тканевая инженерия печени может стать клинической реальностью. Тромбоз остается критической проблемой; открытые поверхности каркаса или неполное эндотелиальное покрытие могут вызвать образование сгустков, что приводит к окклюзии. Эндотелиализация должна быть полной и функциональной, выражая антикоагулянтные факторы, такие как тромбомодулин. Иммунный отторжение является еще одной проблемой, особенно для аллогенных клеток. Кислород и питательные градиенты в больших конструкциях все еще ограничивают размер; даже с сосудистой сетью диффузионные расстояния могут превышать 200 мкм, вызывая центральную гипоксию. Микробиологические реакторы, которые обеспечивают конвективный поток через сосудистую сеть, могут помочь, но масштабирование до клинически значимых объемов (миллилитры до литров) является сложной задачей.

Долгосрочная проходимость инженерных сосудов еще не доказана в течение нескольких недель. Суда могут реконструировать, регрессировать или стать протекающими. Перициты и клетки гладкой мышцы необходимы для механической поддержки и барьерной функции. Масштабирование от моделей мелких животных до размеров человека вводит проблемы скорости потока, давления и сложности ветвления сосудистых деревьев. Для разработки моделей ветвления используются передовые изображения и вычислительная динамика жидкости, которые минимизируют горячие точки сдвига.

Будущие направления включают разработку in vivo преваскуляризации, где каркасы сначала имплантируются в богатый сосудистыми сосудами участок (например, оментум), чтобы позволить врастанию сосуда хозяина, затем эксплантируются и переносятся. Эта стратегия использует естественный ответ организма на заживление. Инструменты редактирования генов , такие как CRISPR-Cas9, исследуются для сбивания факторов выживания или выбивания иммуногенных эпитопов в эндотелиальных клетках. Органоидная васкуляризация является еще одним рубежом: органоиды печени, полученные из плюрипотентных стволовых клеток, теперь могут быть сплавлены с эндотелиальными и мезенхимальными клетками для формирования микроваскулатуры, хотя интеграция с перфузионной системой остается неуловимой.

Клинический перевод потребует стандартизированного производства, надежного контроля качества и одобрения регулирующих органов. Биоискусственные устройства поддержки печени, которые включают в себя модули васкуляризированной ткани, могут выиграть время для пациентов, ожидающих трансплантации. Область переходит от доказательств концепции к ранним технико-экономическим исследованиям, с первыми клиническими испытаниями васкуляризированных конструкций печени, ожидаемыми в течение следующих пяти-десяти лет.

Заключение

Достижения в области сосудистой тканевой инженерии неуклонно преодолевают узкое место васкуляризации в области тканевой инженерии печени. Инновации в проектировании каркасов, 3D-биопечати, биологии стволовых клеток и более глубоком понимании физиологии сосудов печени сближаются, чтобы обеспечить создание функциональной, имплантируемой ткани печени. Такие проблемы, как тромбоз, иммунный отторжение и расширение масштабов, остаются огромными, но междисциплинарное сотрудничество между инженерами, биологами и клиницистами продолжает стимулировать прогресс. Продолжение исследований в конечном итоге приведет к эффективным методам лечения, которые могут помочь в лечении терминальной стадии заболевания печени, снизить нагрузку на списки ожидания трансплантации и улучшить результаты лечения пациентов.