На факультете биомедицинской инженерии Университета Нового Южного Уэльса двое ученых трудятся над созданием новейшей технологии восстановления сердца после инфаркта. Ключевой материал технологии — натуральный шелк.

Идея заключается в том, чтобы выращивать сердечную ткань в лаборатории, используя шелк, как своего рода строительные леса, которые направляют изолированные стволовые клетки, воссоздавая естественную структуру сердца.

Заставить клетки располагаться строго в высокоорганизованном порядке, характерном для сердечной мышцы — задача не из простых. Ученые, в принципе, умеют направлять стволовые клетки, однако в данном случае требуется идеальная синхронизация.

Сиднейские специалисты решили эту проблему созданием нестандартных пресс-форм из кремния с использованием 3-D-принтера. Раствор шелка и воды заливают в форму, которая затем помещается на медную тарелку, охлажденную сухим льдом. Потом начинают процесс вымораживания в режиме медленного переохлаждения, при этом вода в растворе шелка начинает превращаться в лед, замерзая строго в одном направлении от нижней части формы до верхней части раствора.

Потом кристаллы собственно льда убирают, и остается замороженный шелк с вытянутыми порами, идущими в одном направлении. Такая структура шелка точно соответствует структуре кристаллов льда, и к счастью, это практически совпадает с конфигурацией сердечной мышцы на микроуровне.

«Мы контролируем структуру шелкового каркаса, контролируя замерзание воды в нем. Это позволяет нам создавать шаблоны очень сложных внутренних архитектур, которые, в свою очередь, контролируют поведение клеток», — говорит доктор Елена Рняк-Ковачина, ведущий автор исследования.

Ее коллега, доктор Хабиб Джухдар поясняет, что принципиальным моментом процесса замораживания является то, что вода постепенно превращается в лед, перемещаясь в одном направлении, а не со всех сторон, как это происходит в обычной морозильной камере.

«Когда вода начинает кристаллизоваться в растворе шелка, шелковый белок собирается вокруг растущего льда», — говорит он. «Когда лед движется вверх, он выталкивает этот белок в пустоты между кристаллами. Затем, когда все полностью замерзает, можно удалить лед и вы получите поры, которые являются как бы негативным оттиском в шелке». 

Электронно-микроскопическое изображение обработанного шелка, показывающее удлиненные поры, идеально подходящие для посева стволовых клеток сердца. Фото предоставлено UNSW

По словам ученых, сложнее всего было выбрать правильное время, температуру и скорость замерзания для создания шелка с порами правильной формы и структуры, которые позволили бы расти кардиомиоцитам.

«Если вы меняете структуру льда, вы изменяете морфологию пор структуры шелка. Чтобы изменить какие-то параметры, вы просто экспериментируете со скоростью замораживания, количеством используемого шелка или типом шелка, так как каждая форма замерзает по-разному, что приводит к разной морфологии пор. Например, вы можете сделать поры более широкими, добавив больше шелка, более тонкими, замораживая меньше шелка, или круглыми, заморозив другой тип шелка».

Д-р Рняк-Ковачина говорит, что их исследования по замораживанию растворов шелка и экспериментам с различными архитектурами биоматериалов сделают в итоге процесс получения сердечных патчей намного более дешевым и доступным, чем тот, который в настоящее время применяется в биомедицинских лабораториях.

«Это чрезвычайно доступная система, которую Хабиб непрерывно совершенствует», — говорит она. «Я думаю, что лаборатории по всему миру будут использовать наш новый дизайн. В настоящее время технологии создания сердечных патчей намного дороже, а необходимое оборудование гораздо сложнее. Все, что используем мы, — это 3D-принтер, кремний, шелк, вода, сухой лед и медная пластина».