Микроканальные гидрогели восстановили кровоснабжение ишемических тканей

Контролируемый ангиогенез (рост новых кровеносных сосудов) в поврежденных областях остается нерешенной проблемой в клинической практике. Большинство подходов основаны на локальном введении проангиогенных молекул, что может вызывать воспаление, активацию опухолевого ангиогенеза и системные побочные эффекты. В новом отчете в Nature Communications группа под руководством Джунг Бок Ли создала трехмерные сети микроканалов в желатиновом гидрогеле.

Конструкция преодолела диффузионный лимит питательных веществ и кислорода в 3D. Ее имплантировали мышам и свиньям с моделью ишемии задней конечности, что позволило спасти сильно поврежденные ткани за счет прорастания соседних сосудов хозяина и перфузии через микроканалы. Процесс сопровождался специфической для размера микроканалов поляризацией регенеративных макрофагов, что способствовало восстановлению эндотелиальных клеток. Метод может помочь в разработке терапии заболеваний, связанных с гипоксией и воспалением.

Создание гидрогеля с сетью каналов

Ли с коллегами исследовали восстановление кровоснабжения поврежденных участков путем имплантации гидрогеля с сетью микроканалов. Они продемонстрировали терапевтический эффект на животных моделях, получив функциональную сосудистую структуру с микроканалами, оптимизированными для восстановления эндотелиальных клеток (ЭК).

Гидрогели создавали в три этапа с использованием волокон PNIPAM [поли(N-изопропилакриламида)], внедренных в форму PDMS (полидиметилсилоксана), с последующей гелеобразованием и сшиванием. После растворения волокон и промывки формировалась сеть пустых каналов.

В модели тяжелой ишемии задней конечности у мышей ученые количественно оценили степень восстановления кровотока с помощью лазерной допплеровской перфузионной визуализации (LDPI) после имплантации гидрогелей. Через 14 дней гистология показала, что в группах с макроканалами или без каналов наблюдалось массивное воспаление и фиброз. В группе с микроканалами мышечная ткань значительно восстановилась до уровня здоровой конечности.

Изучение механизма действия

С помощью микро-КТ и конфокальной визуализации ученые исследовали механизм спасения поврежденной конечности микроканальным гидрогелем. Через 14 дней после имплантации у мышей наблюдалась перфузионная связь между сосудами хозяина и сетью микроканалов. По мере увеличения ветвления сосудов увеличивалась и площадь покрытия, улучшая доставку кислорода и питательных веществ.

Анализ экспрессии генов показал инфильтрацию воспалительных клеток в имплантат. Степень тубулогенного ветвления в микроканалах была выше, чем в контрольной группе, что подтвердило проангиогенный эффект специфичного размера каналов. В микроканальной группе также наблюдалось значительно большее количество клеток сосудистой выстилки (ЭК) по сравнению с группой макроканалов, что подтверждалось появлением кровяных клеток и распространением крови.

Модель заживления ран и другие модели

Ученые также имплантировали гидрогель в стандартную модель заживления ран у мышей. Как и в случае ишемии, соседние сосуды прорастали в гидрогель, соединяясь с сетью микроканалов. Это ускоряло закрытие раны, способствовало образованию более прочной ткани, богатой коллагеном, и ускоренному формированию эпидермиса.

Дополнительные in vivo модели, не подвергавшиеся ишемии, подчеркнули важность ишемических условий для наиболее эффективного проявления микроканального эффекта при инфильтрации сосудов.

Выводы и перспективы

Джунг Бок Ли и коллеги разработали имплантируемый гидрогель с перфузируемой сетью микроканалов для лечения ишемических/воспалительных заболеваний. Регенеративная функция была запрограммирована исключительно структурой микроканалов без загрузки каких-либо клеток или терапевтических молекул. Размер микроканалов и замкнутая 3D-сеть критически важны для направленного регенеративного механизма.

Ферментативно сшитый желатиновый гидрогель биосовместим, дешев и позволяет легко загружать терапевтические агенты или клетки до гелеобразования. Простой и быстрый процесс изготовления с масштабируемым производством может быть переведен из лаборатории в клинику. Регенеративный эффект такого гидрогеля очень перспективен и применим, например, для лечения заболеваний периферических артерий (ЗПА). Следующие шаги будут направлены на ускорение перфузионного соединения с сосудами хозяина для улучшения клинического применения.