Organele în miniatură, produse în laborator, ar putea permite realizarea unor studii ştiinţifice de mare precizie, fără a mai fi nevoie de testarea pe animale sau oameni. Însă principala problemă este că ţesuturile artificiale au nevoie de vase de sânge, iar acestea sunt foarte greu de produs artificial. Acum, oamenii de ştiinţă au dezvoltat o nouă tehnologie pentru a produce ţesuturi cu vase de sânge care se comportă precum cele naturale.
Pentru a analiza cu precizie efectele unui nou medicament sau modul în care interacţionează diferite organe în cadrul unui răspuns sistemic (mecanismele biologice cu efecte asupra întregului organism), cercetarea biomedicală se îndreaptă tot mai mult către utilizarea tehnologiei organelor-pe-cip, cunoscute şi sub denumirea de sisteme microfiziologice.
Acestea permit cultivarea de structuri asemănătoare ţesuturilor umane pe cipuri microfluidice, într-un mediu controlat cu mare acurateţe, oferind astfel rezultate mai exacte şi care pot fi obţinute în mod consecvent, spre deosebire de experimentele realizate pe subiecţi umani sau pe animale.
Totuşi, a existat un obstacol major: aceste mini-organe sunt incomplete, întrucât nu au vase de sânge. Pentru a permite studii riguroase şi comparaţii relevante cu organismele vii, trebuie creată o reţea de vase şi capilare perfuzabile, care să poată fi configurată cu exactitate şi replicată în mod constant.
Acum, oamenii de ştiinţă au identificat o metodă eficientă pentru a crea rapid şi reproductibil vase de sânge minuscule.
O echipă de cercetători de la Universitatea Tehnică din Viena (TU Wien, Austria) şi Universitatea Keio (Japonia) au pus la punct o metodă, care utilizează lasere cu impulsuri ultrascurte, pentru a crea vase de sânge artificiale în modele miniaturale de organe, într-un mod rapid şi cu rezultate constante de la un experiment la altul.
Testele de laborator au demonstrat că aceste vase de sânge se comportă la fel ca cele din ţesuturile vii. Pentru început, echipa a creat cu succes lobuli-hepatici-pe-cip.
„Dacă dorim să studiem cum sunt transportate, metabolizate şi absorbite medicamentele în diferite ţesuturi umane, avem nevoie de cele mai fine reţele vasculare”, explică Alice Salvadori, membră a Grupului de Cercetare 3D Printing and Biofabrication, de la TU Wien.
Potrivit acesteia, ideal ar fi ca aceste vase de sânge să fie create direct în materiale speciale numite hidrogeluri. Hidrogelurile oferă suport structural pentru celulele vii, fiind în acelaşi timp permeabile, asemenea ţesuturilor naturale. Prin crearea de canale microscopice în aceste hidrogeluri, devine posibilă ghidarea formării de structuri asemănătoare vaselor de sânge: celulele endoteliale, care căptuşesc interiorul vaselor de sânge din corpul uman, pot coloniza aceste reţele de canale. Se creează, astfel, un model care imită îndeaproape structura şi funcţia vaselor naturale.
Provocarea majoră a fost până acum geometria, deoarece forma şi dimensiunea acestor reţele microvasculare sunt greu de controlat.
În unele metode de cercetare, vasele de sânge se formează singure, fără un control extern strict, un proces numit autoorganizare. Acest lucru înseamnă că ele pot arăta diferit de fiecare dată când se repetă experimentul.
Din această cauză, este foarte greu să se obţină rezultate identice şi precis controlate, ceea ce este esenţial pentru cercetările medicale.
Echipa de la Universitatea Tehnică din Viena a folosit o tehnologie laser de ultimă generaţie: folosind impulsuri laser extrem de scurte, de ordinul femtosecundelor, ei au reuşit să creeze rapid şi cu mare precizie structuri tridimensionale direct în materialul gelatinos numit hidrogel.
„Putem crea canale distanţate la doar o sută de micrometri. Acest lucru este esenţial dacă dorim să replicăm densitatea naturală a vaselor într-un organ specific”, a precizat prof. Aleksandr Ovsianikov, şeful departamentului 3D Printing & Biofabrication, de la TU Wien.
Precizia este esenţială, dar nu şi suficientă, întrucât vasele artificiale trebuie create rapid şi trebuie să îşi menţină stabilitatea structurală odată ce sunt populate cu celule vii.
„Ştim că celulele îşi remodelează activ mediul. Acest lucru poate duce la deformări sau chiar colapsul vaselor sintetice. De aceea am îmbunătăţit şi procesul de preparare a materialului”, explică Alice Salvadori.
În locul metodei standard de gelificare într-o singură etapă, echipa a folosit un proces în două etape: hidrogelul este încălzit în două faze, la temperaturi diferite, ceea ce modifică structura reţelei interne, generând un material mai stabil. Vasele formate în acest material rămân deschise şi îşi păstrează forma în timp.
„Am demonstrat că putem produce vase de sânge artificiale perfuzabile, dar şi mai important este faptul că am dezvoltat o tehnologie care poate fi extinsă şi aplicată eficient la scară industrială”, spune prof. Ovsianikov.
„E nevoie de doar 10 minute pentru a produce 30 de canale, ceea ce este de cel puţin 60 de ori mai rapid decât alte tehnici din prezent”, a completat profesorul.
Pentru ca procesele biologice să poată fi replicate fidel într-un sistem-pe-cip, este esenţial ca ţesuturile artificiale să reproducă comportamentul celor naturale. Acest aspect a fost confirmat în mod experimental.
„Am arătat că aceste vase de sânge artificiale sunt colonizate de celule endoteliale care răspund exact ca cele reale din corp. De exemplu, reacţionează la inflamaţie în acelaşi mod, devenind mai permeabile, exact ca vasele de sânge naturale”, continuă Alice Salvadori.
Această realizare constituie un progres semnificativ către adoptarea tehnologiei „organ-pe-cip” ca standard de referinţă în multiple arii ale cercetării medicale.
Succes major cu ţesutul hepatic
Reproducerea microvascularizaţiei dense şi complexe a ficatului a reprezentat mult timp o provocare în cercetarea organelor-pe-cip.
„Folosind această abordare, am reuşit să vascularizăm un model hepatic. În colaborare cu Universitatea Keio (Japonia), am dezvoltat un lobul-hepatic-pe-cip care integrează o reţea vasculară 3D controlată, imitând îndeaproape dispunerea in vivo a venei centrale şi a sinusoidelor”, a explicat prof. Ovsianikov.
Construind straturi multiple de microvase pe toată grosimea ţesutului, cercetătorii au asigurat un aport adecvat de nutrienţi şi oxigen, ceea ce a condus la o activitate metabolică îmbunătăţită în modelul hepatic.
„Considerăm că aceste progrese ne aduc mai aproape de integrarea tehnologiei organ-pe-cip (OoC) în dezvoltarea medicamentelor”, afirmă Masafumi Watanab,e de la Universitatea Keio.
Tehnologia OoC, combinată cu tehnologia laser avansată, permite realizarea unor modele de vase de sânge şi ţesut hepatic mai precise şi mai stabile din punct de vedere experimental, care reflectă cu mai multă fidelitate condiţiile biologice reale, notează autorii.
Una dintre realizările importante este capacitatea de a construi ţesuturi minuscule-pe-cip, prin care poate circula lichid, similar fluxului sanguin din organism.
Acest lucru îi va ajuta pe cercetători să înţeleagă mai bine modul în care circulaţia influenţează celulele. Tehnologia OoC permite, de asemenea, observarea detaliată a reacţiilor celulare la microscop.
Aceste modele îi vor ajuta oamenii de ştiinţă să înţeleagă mai bine funcţionarea organismului şi ar putea conduce, în viitor, la tratamente şi soluţii de sănătate mai eficiente.
