Ученые MIT разработали инъекционные «мини-печени» для работы внутри организма

Более 10 000 человек в Соединенных Штатах с хроническими заболеваниями печени в настоящее время ждут трансплантации печени, но предложение донорских органов намного отстает от спроса. Некоторые пациенты с печеночной недостаточностью также не могут пройти трансплантацию, потому что они недостаточно здоровы, чтобы перенести операцию.

Инженеры MIT разрабатывают возможную альтернативу: инъекционные «мини-печени», предназначенные для обеспечения некоторых функций, обычно выполняемых поврежденной печенью.

В новом исследовании на мышах исследователи обнаружили, что введенные клетки печени оставались живыми в течение по крайней мере двух месяцев. В течение этого времени клетки продолжали производить многие из ферментов и белков, обычно вырабатываемых печенью.

"Мы думаем об этих клетках как о спутниковых печенях. Если мы сможем доставить эти клетки в организм, оставив больной орган на месте, это обеспечит дополнительную функцию", - говорит Сангита Батия, профессор Джона и Дороти Вильсон в области здравоохранения и технологий, а также электротехники и информатики в MIT, и член Института рака Коха и Института медицинской инженерии и науки MIT.

Батия является старшим автором исследования, опубликованного в журнале Cell Biomaterials. Постдок MIT Вардман Кумар является ведущим автором.

Печень отвечает за примерно 500 необходимых функций в организме человека. Помимо прочего, она помогает регулировать свертываемость крови, очищает кровь от бактерий и перерабатывает лекарства. Многие из этих задач выполняются специализированными клетками печени, известными как гепатоциты.

Более десяти лет лаборатория Батии исследует способы восстановления активности гепатоцитов без необходимости пациентов проходить хирургическую трансплантацию печени. Одна стратегия включает помещение гепатоцитов внутри биоматериала, такого как гидрогель. Однако эти гели по-прежнему необходимо хирургически имплантировать.

Прямое введение гепатоцитов в организм может исключить необходимость этой операции. Для нового исследования команда MIT стремилась сделать этот подход более эффективным, создав инженерную среду, которая помогла бы трансплантированным клеткам выжить, а также позволила бы исследователям контролировать здоровье трансплантата без инвазивных процедур.

Исследователи разработали инъекционную смесь, содержащую клетки печени и крошечные микросферы гидрогеля. Эти микросферы помогают удерживать клетки вместе и способствуют соединениям с соседними кровеносными сосудами.

Когда плотно упакованы, сферы имеют свойства, которые позволяют материалу вести себя как жидкость, что позволяет протолкнуть смесь через шприц. Попав в организм, материал может восстановить свою твердую структуру.

Микросферы гидрогеля ранее исследовались для заживления ран, поскольку они создают пространства, которые позволяют клеткам перемещаться через материал и генерировать новую ткань. Исследователи MIT адаптировали этот подход так, чтобы гепатоциты могли установить стабильный тканевой трансплантат после введения.

"Что мы сделали, так это использовали эту технологию для создания инженерной ниши для трансплантации клеток", - говорит Кумар. "Если клетки вводятся в отсутствие этих сфер, они не интегрировались бы эффективно с хозяином, но эти микросферы обеспечивают гепатоцитам нишу, где они могут остаться локализованными и намного быстрее подключиться к циркуляции хозяина."

Инъекционный материал также содержит клетки фибробластов - вспомогательные клетки, которые улучшают выживание гепатоцитов и способствуют росту кровеносных сосудов в вновь образованную ткань.

В сотрудничестве с Николь Хеннинг, специалистом по ультразвуковым исследованиям в Институте Коха, команда разработала технику доставки смеси с помощью ультразвукового направляемого шприца. Ультразвук затем можно использовать после процедуры для отслеживания имплантата и определения того, остается ли он стабильным с течением времени.

Для экспериментов на мышах исследователи поместили мини-печени в жировую ткань в брюшной полости. Будущие версии лечения потенциально могут быть имплантированы в других местах, включая селезенку или области рядом с почками.

Клетки печени не обязательно должны быть расположены рядом с печенью пациента. Если трансплантат имеет достаточно места и достаточное кровоснабжение, трансплантированные гепатоциты могут выполнять функции, аналогичные функциям клеток внутри самой печени.

"Для подавляющего большинства заболеваний печени трансплантат не обязательно должен находиться рядом с печенью", - говорит Кумар.

В тестах на мышах исследователи вводили клетки печени и микросферы в жировую ткань, называемую перигонадной жировой тканью. После доставки клетки собрались в стабильную и компактную структуру.

Кровеносные сосуды постепенно выросли в трансплантат, создав локальное снабжение питательными веществами, которое помогло сохранить жизнь и функционирование трансплантированных гепатоцитов.

"Новые кровеносные сосуды образовались прямо рядом с гепатоцитами, поэтому они смогли выжить", - говорит Кумар. "Они смогли получить питательные вещества, доставленные прямо к ним, они смогли функционировать так, как они должны, и они производили белки, которые мы от них ожидали."

Клетки печени пережили все восьминедельное исследование и продолжали выделять специализированные белки в циркуляцию животных. По словам исследователей, эта долговечность предполагает, что техника потенциально может быть разработана в долгосрочное лечение заболеваний печени.

Исследователи видят несколько возможных ролей для этой технологии. Для некоторых пациентов инъекционные печеночные трансплантаты могут служить альтернативой операции. Для других они могут временно дополнить функцию печени, пока пациент ждет донорского органа.

"Как мы видим эту технологию, она может служить альтернативой операции, но она также может служить мостом к трансплантации, где эти трансплантаты могут обеспечивать поддержку до появления донорского органа", - говорит Кумар. "И если мы думаем, что им может потребоваться другая терапия или больше трансплантатов, барьеры для этого намного ниже с этой инъекционной технологией, чем при другой операции."

Текущий подход, вероятно, потребует от пациентов принимать иммуносупрессивные препараты, чтобы предотвратить атаку иммунной системы на трансплантированные клетки. Команда теперь изучает другие возможности, включая разработку "незаметных" гепатоцитов, которые могли бы избежать обнаружения иммунной системой. Другой вариант - использовать микросферы гидрогеля для прямого высвобождения иммуносупрессивных препаратов вокруг трансплантата.

Исследование финансировалось грантом поддержки Института Коха от Национального института рака, Национальных институтов здоровья, Программы HOPE Wellcome Leap, Стипендией для аспирантов Национального научного фонда и Медицинским институтом Говарда Хьюза.