Ученые создали искусственный костный мозг, повторяя природный план
Костный мозг, скрытый внутри костей, ежедневно производит миллиарды клеток крови — от переносящих кислород эритроцитов до иммунных лейкоцитов. Эта жизненно важная функция часто нарушается у онкологических пациентов после химио- или лучевой терапии, что делает их уязвимыми для инфекций.
Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета (Penn Engineering), Медицинской школы Перельмана (PSOM) и Детской больницы Филадельфии (CHOP) разработали платформу, имитирующую естественную среду человеческого костного мозга. Это прорыв, так как исследования на животных часто не могут полностью воспроизвести его сложность.
Моделирование человеческого мозга
Устройство представляет собой небольшой пластиковый чип, специальные камеры которого заполнены человеческими кроветворными стволовыми клетками и окружающими их поддерживающими клетками в гидрогеле. Это имитирует сложный процесс развития костного мозга у человеческого эмбриона. Платформа позволяет создавать живую ткань костного мозга, которая производит функциональные клетки крови и выпускает их в культуральную среду, текущую по искусственным капиллярным сосудам.
Модель «костный мозг-на-чипе» позволяет изучать побочные эффекты лечения, такие как радио- и химиотерапия. При соединении с другим устройством она может моделировать взаимодействие костного мозга с другими органами, например, с легкими, для защиты от инфекций.
Как описано в новой статье в Cell Stem Cell, эта модель и демонстрация её крупномасштабного производства и автоматизации могут продвинуть различные области: от разработки лекарств (автоматизированный скрининг токсичности противораковых препаратов для костного мозга) до космических путешествий (изучение воздействия длительной радиации и невесомости на иммунную систему астронавтов).
«Мы прошли долгий путь в регенерации человеческих тканей in vitro, но эта система, вероятно, одна из самых сложных биоинженерных моделей тканей на сегодняшний день», — говорит Дэн Ху, профессор биоинженерии и старший автор статьи.
Космическое начало
Проект изначально начинался с целью изучения иммунной системы в космосе. Почти десять лет назад Ху и Г. Скотт Уортен, врач CHOP и второй старший автор статьи, предложили создать модель человеческого костного мозга и отправить её на МКС.
«Основываясь на данных о повышенном риске инфекций у астронавтов в длительных миссиях, мы хотели изучить, как невесомость влияет на иммунную систему», — говорит Уортен.
Однако эксперименты на МКС не состоялись из-за технического сбоя и пандемии. Тем не менее, новая технология оказалась чрезвычайно полезной на Земле.
«Я считаю, что эта новая технология представляет собой большой шаг вперед, который откроет перед нами многие двери», — говорит Ху.
Повторение природного рецепта
Костный мозг состоит из нескольких ключевых компонентов: кроветворных стволовых клеток (HSCs), эндотелиальных клеток (стенки сосудов) и мезенхимальных клеток (соединительная ткань).
Ранние попытки объединить эти ингредиенты не позволяли воспроизвести структуру и поведение реального мозга. Ключевым прорывом стала идея повторить процесс развития костного мозга у эмбриона, где клетки «самоорганизуются» в ответ на сигналы среды.
«Принцип, который мы демонстрируем, уникален: он опирается на способность стволовых клеток самоорганизовываться в сложные ткани в "правильной" среде», — говорит Андрей Георгеску, бывший аспирант лаборатории Ху, а ныне CEO стартапа Vivodyne.
На пути к клеточной терапии
Одно из ключевых открытий — чип не только производит клетки крови, но и поддерживает кроветворные стволовые и клетки-предшественники в течение длительного времени. Это означает, что технология может помочь понять биологические условия, необходимые для поддержания или даже расширения пула этих ценных клеток, получаемых от доноров в ходе дорогих и инвазивных процедур.
«Учитывая клиническую значимость трансплантации кроветворных стволовых клеток, изучение полезности нашей технологии для клеточной терапии на основе HSC станет важной целью нашей будущей работы», — говорит Ху.