Тканевые чипы — это совокупности клеток, которые имитируют анатомию и физиологию ткани или органа, что позволяет тестировать лечение в лаборатории более точно, чем использование клеток, выращенных в одном слое в чашке. Чтобы создать ткань вне тела, клеткам нужна трехмерная структура, на которой они могут расти. Такие каркасы часто изготавливаются из полидиметилсилоксана (ПДМС), полимера на основе кремния, и содержат микрофлюидные камеры, представляющие кровеносные сосуды или дыхательные пути, проходящие через них.
Эти микрофлюидные системы имеют различные преимущества.
Некоторые системы отлично подходят для разработки и тестирования методов лечения в лаборатории; некоторые позволяют встраивать в себя живые клетки, в то время как другие могут воспроизводить различные типы тканей (например, костный и костный мозг). Другие системы обладают качествами, которые позволяют имплантировать их в организм как часть самого лечения; одно из таких качеств — способность в конечном итоге деградировать, когда больше не требуется. Но ни один из современных биоматериалов не может выполнять все вышеперечисленное. PDMS особенно проблематичен, потому что он не разлагается и всасывает липиды, такие как молекулы жира или стероидные гормоны.
Многие потенциальные лекарства основаны на липидах, поэтому PDMS поглощает их до того, как можно будет измерить их действие, что затрудняет тестирование лекарств. Кроме того, имплант, сделанный из PDMS, будет поглощать липиды организма, а поскольку липиды жизненно важны для функционирования организма, микрочип PDMS не может быть имплантирован людям.
Чтобы создать систему, которая удовлетворяет все эти потребности, исследователи обратились к шелку, белку, полученному естественным путем, с уникальными свойствами, которые имеют несколько преимуществ: обеспечивают различные уровни жесткости, соответствующие ткани-мишени; обеспечивают долгосрочную стабильность в различных условиях, но при этом полностью деградируют с течением времени; и обеспечивают прозрачность, чтобы исследователи могли наблюдать биологические процессы, такие как ферментативная активность.
«Мы знаем, что шелк биосовместим, поэтому вы можете использовать его даже внутри тела, и его можно запрограммировать на безопасное растворение с течением времени», — сказала Розмари Ханзикер, доктор философии.D., программный директор по тканевой инженерии в NIBIB. "Так что это может быть даже улучшенная конструкция, которая позволит нам создавать небольшие микроткани и делать их имплантируемыми.«Система на основе шелка была описана в Интернете 31 марта 2016 года в журнале Biomaterials.
Исследователи из отдела биомедицинской инженерии Университета Тафтса в Медфорде, штат Массачусетс, разработали микрожидкостное устройство, смешав шелк с гелевым раствором и отливая его в форму. В результате получился прямоугольный блок шелкового гидрогеля с трехмерной сетью каналов, проходящих через него.
Также были добавлены механические клапаны для управления потоком через каналы; поток может быть включен или выключен в зависимости от давления воздуха в одной из камер.
В живых тканях и органах взаимодействия с другими клетками, белками и ферментами происходят как внутри ткани, так и на поверхности каналов.
При моделировании геля встраиваются живые клетки и активные ферменты. Однако суровые условия, необходимые для создания PDMS, убивают и дезактивируют клетки и ферменты.
Поскольку гидрогель шелка можно изготавливать при температуре окружающей среды и в относительно мягких условиях, он может включать в себя клетки и ферменты внутри геля и, таким образом, лучше воспроизводить живую ткань.
Шелковые гели также могли противостоять различным средам (например, изменениям pH или солености окружающей жидкости) без изменения их размера или формы.
С другой стороны, жесткостью геля можно управлять, чтобы соответствовать свойствам целевой ткани (например, тверже для хряща, но мягче для кожи или мозга). Гели также были прозрачными, что облегчало анализ.
Хотя тестирование потенциальных лекарств — это, вероятно, первое применение шелковой системы, Дэвид Каплан, доктор философии.D., Профессор инженерии Stern Family в Университете Тафтса и старший автор статьи также взволнован возможностью когда-нибудь вырасти ткани на чипах, которые можно будет поместить в тело. «Шелк выводит вас на новый уровень, потому что его можно имплантировать и полностью рассасывать in vivo», — сказал Каплан.
И для исследователей, которые ищут систему, которая может быть адаптирована к конкретным потребностям — будь то механические насосы, передача сигналов клеток или визуализация клеточных процессов внутри чипа — это то, что нужно, — сказал Каплан. «Шелк уникален своей способностью объединить все в одну материальную систему», — сказал он. «Теперь мы можем оптимизировать системы in vitro (в культуре клеток) и напрямую преобразовать это in vivo (в пределах животного), чтобы посмотреть на регенерацию тканей.
Я не знаю другой универсальной системы, которая могла бы все это."
Каплан известен тем, что использует шелк для решения задач биомедицинской инженерии; он использовал его для создания моделей мозговой ткани и костного мозга, как часть хирургических имплантатов для заживления сломанных костей, а также как метод сохранения стабильности антител и вакцин при комнатной температуре. «Это довольно редко, когда мы сталкиваемся с препятствием, которое мы не можем преодолеть, используя шелк в качестве основного материала», — сказал Каплан. "Это достаточно универсальный материал.
Я надеюсь, что мы переместили его из текстильного мира в мир биоматериалов и медицины."
Действительно, по сравнению с другими тестируемыми полимерами, шелк хорошо изучен. «Мы уже много знаем о том, как он реагирует внутри тела», — сказал Ханзикер. С точки зрения разработки тканевых имплантатов на основе шелка: «Это похоже на старт эстафеты на последнем круге, а не с самого начала."