Эта новая платформа использовалась в недавнем исследовании, чтобы узнать, как тяжелая инфекция малярии заставляет эритроциты застревать в микрососудах крови. По мере накопления эритроциты, инфицированные паразитами, перекрывают самые узкие пути кровотока в организме.
О том, как была создана трехмерная модель микрососудов с живыми клетками, и о результатах, которые она помогла определить механизмы обструкции микроциркуляции, вызванной тяжелой малярией, сообщается в статье в текущих выпусках журнала Science Advances.
Исследователи из Вашингтонского университета, Детского исследовательского института Сиэтла и Медицинского института стволовых клеток и регенеративной медицины Университета Вашингтона провели этот проект.
Соответствующими авторами итоговой статьи являются Ин Чжэн, доцент кафедры биоинженерии, Джозеф Д. Смит, аффилированный профессор глобального здравоохранения и исследователь детских инфекционных болезней Сиэтла, и Коул А. ДеФорест, доцент кафедры химической инженерии и биоинженерии
Трехмерная капиллярная система, разработанная их командой, дает надежду на исследования ряда других заболеваний, вызывающих закупорку или повреждение капилляров человека. К ним относятся серповидноклеточная анемия, диабет и сердечно-сосудистые проблемы.
Система также может быть первым шагом на пути к разработке микроциркуляции для целей регенеративной медицины, например, для обеспечения достаточного кровотока к участкам восстановления органов, полученным из стволовых клеток, или к органам, выращенным в лаборатории.
В организме человека капилляры – самые маленькие кровеносные сосуды.
Они являются важными проводниками для переноса кислорода и питательных веществ из кровотока в ткани в обмен на углекислый газ и продукты жизнедеятельности.
Человеческие капилляры настолько узкие, что красные кровяные тельца проходят через них один за другим.
Ученые смогли построить свою капиллярную систему с помощью биологической печати сосудов размером 100 микрометров, выгравированных на коллагеновой основе. Многофотонная технология из лаборатории ДеФореста использовалась для травления каналов и нарушения работы клеток из более крупных кровеносных сосудов, тем самым побуждая их перемещаться в каналы и формировать капилляры.
С помощью своего трехмерного микрососуда, который напоминает песочные часы, ученые могли анализировать, как красные кровяные тельца преодолевают узкие места. Нормальные красные кровяные тельца, имеющие форму круглого резинового плота, плавно проходят сквозь них, искривляясь и выглядя как тапочки, парашюты или колокольчики. Они почему-то избегают касаться внутренней части капилляра.
Однако красные кровяные тельца, инфицированные малярией, более жесткие и узловатые. При пересечении области капилляров они не сильно удлиняются. Они также катятся и кувыркаются. Их форма и движение увеличивают риск прилипания к капилляру и застревания.
Столкнувшись с силами, присутствующими в кровотоке, инфицированные эритроциты, как правило, больше выталкиваются к стенке капилляров по сравнению с их неинфицированными аналогами. Это отталкивание также увеличивает вероятность застревания.
В то время как большинство нормальных эритроцитов беспрепятственно проходят через самые узкие области капиллярной модели, те, которые инфицированы определенными вариантами малярийных паразитов, постоянно накапливаются. В течение нескольких минут они могут повредить капилляр и остановить кровоток, захватив с собой некоторые нормальные эритроциты.
Исследователи провели дополнительный анализ возможного вредного воздействия выступов, которые появляются на инфицированных малярией эритроцитах.
Они пришли к выводу, что динамические силы кровотока в инфицированных клетках и модификации эритроцитов, вызванные малярийным паразитом, могут играть независимую роль в событиях, ведущих к закупорке микрососудов. Так, например, у выхода из капилляров больше скоплений инфицированных клеток, то есть там, где кровоток замедляется и напряжения сдвига снижаются.
Ученые упомянули, что два возможных недостатка их трехмерной модели микрососудов человека заключаются в том, что она была получена из типов клеток, происходящих из более крупных кровеносных сосудов, и что изучение динамики отдельных клеток является сложной задачей из-за неточного контроля потока.
Они надеются, что с изменениями этот принципиально новый подход к исследованию обструкции микрососудов поможет в будущих терапевтических разработках для лечения малярии на стадии крови, в изучении других состояний, которые могут повредить мелкие кровеносные сосуды, и в исследованиях трансфузионной медицины на продуктах крови.
Среди других ученых в команде были Кристофер Аракава, Селина Гуннарссон, Кейтлин Ховард, Мария Бернабеу, Киет Фонг и Эрик Янг, все из Департамента биоинженерии, который совместно входит в Медицинскую школу и инженерный колледж UW.