Rostoucí buňky v laboratoři je umění, které lidé zvládli před desítkami let. Obnovení celých trojrozměrných tkání je mnohem náročnější. Vědci EMPA vyvíjejí nový materiál na bázi hydrogelu, který umožňuje vytvořit umělé tkáně kůže, které mohou sloužit jako živé trojrozměrné modely lidské pokožky pro lepší porozumění a léčbu kožních onemocnění.
Kůže je největším orgánem v lidském těle. Vytváří kolem 15 procent naší tělesné hmotnosti a chrání nás před patogeny, dehydratací a extrémy teploty. Onemocnění kůže jsou proto více než jen nepříjemná – mohou se rychle stát nebezpečnými pro postižené pacienty. Ačkoli jsou podmínky, jako je rakovina kůže, chronické rány a autoimunitní kožní onemocnění, rozšířené, často stále plně nechápeme o tom, proč se vyvíjejí a jak je můžeme efektivně zacházet.
Abychom našli odpovědi na tyto otázky, vědci EMPA spolupracují s klinickými partnery na modelu lidské kůže. Model umožní vědcům simulovat kožní onemocnění, a tak jim lépe porozumět. Toto není počítač nebo plastový model. Vědci z laboratoře EMPA pro biomimetické membrány a textil a její laboratoř pro biointerface jsou spíše vytvořeni na živou „umělou pokožku“, která obsahuje buňky a emuluje vrstvenou a vráskovanou strukturu lidské kůže. Projekt je součástí švýcarské výzkumné iniciativy Skintegrity.ch.
Aby bylo možné znovu vytvořit něco tak složitého jako kůže, jsou zapotřebí vhodné stavební materiály. To je místo, kde vědci EMPA nedávno dosáhli pokroku: vyvinuli hydrogel, který splňuje složité požadavky a přitom se snadno vyrobí. Základ: želatina z kůže ryb studené vody.
Více než jen buňky
Stejně jako většina tkání, kůže se skládá z buněk, které jsou zabudovány do tzv. Extracelulární matrice: síť proteinů a jiných biomolekul, která poskytuje tkáni tvar a strukturu a udržuje buňky. Extracelulární matrice se liší od tkáně k tkáni – v případě kůže dokonce od vrstvy po vrstvu. Je zásadní použít vhodnou substituci pro tuto matici k vytvoření reprezentativního modelu kůže.
Jedním ze způsobů, jak simulovat extracelulární matrici, je použití hydrogelů: speciální polymery, jejichž řetězce jsou zesítěny způsobem, který jim umožňuje absorbovat velké množství vody a jiných tekutin. Jsou zvláště vhodné pro simulaci extracelulární matrice kůže, která obsahuje velké množství vody a dalších tekutin. Další výhoda: Mnoho hydrogelů lze zpracovat pomocí 3D tiskárny.
3D tisk je silný pro vývoj modelu pleti. Kožní buňky mohou být zabudovány do hydrogelové matrice ve specifických vzorcích a ne náhodně. 3D tisk nám umožňuje kombinovat více materiálů a typů buněk do jediné struktury – stejně jako skutečná kůže. “
Kongchang Wei, vedoucí skupiny společných výzkumných skupin tkáňových měkkých materiálů
Avšak vzhledem k jejich schopnosti absorbovat vodu se většina hydrogelů značně zvětšuje, když po 3D tisku přišli poprvé s kapalinou. Otok mění jejich tvar a odlišuje je od navrženého vrstveného modelu pleti. Přestože existují hydrogely, které necítí, jsou obvykle velmi náročné na výrobu nebo 3D tisk. „Zjistili jsme, že příroda již má mnohem jednodušší a elegantnější řešení,“ říká Wei. Želatina z ryb studené vody, jako je COD, Pollock a Haddock, může být zesíťován jen v několika krocích, aby se změnil v neskutečný hydrogel, který lze vytisknout kožními buňkami.
„Pro náš model pokožky je cílem zahrnout nejen dermis a epidermis vrstvu, ale také epidermálně-dermální křižovatka (také známá jako základní membrána) mezi těmito dvěma vrstvami kůže.“ říká wei. „S gelatinovými hydrogely a další technikou zpracování polymeru, elektrostavištěm, elektrostavištěm, se přibližujeme k tomuto cíli.“
Od výzkumu kůže po hojení ran
A co víc: Bez přidání živých buněk by mohl být hydrogel také použit jako obvazový materiál. Stejně jako hydrogely vyrobené ze zvířecího želatiny, výsledný materiál je biologicky kompatibilní s lidskými kožními buňkami a může být 3D vytištěn. Má však zásadní rozlišovací rys: protože ryby jsou evolučně dále odstraněny od lidí, rybí želatina způsobuje méně imunitních reakcí a přináší nižší riziko přenosu onemocnění než srovnatelné materiály založené na želatinu savců. „Rybí kůže je v současné době zkoumána jako slibný nástroj pro hojení ran,“ říká Wei. „Náš hydrogel je homogennější, bezpečnější a může být přizpůsoben přesně potřebám pacienta, například s různými tvary, tloušťkou a pevností. Dokonce i integrace léků by byla představována,“ vysvětluje výzkumník.
Z těchto důvodů vědci požádali o patent na jejich hydrogel na bázi rybí želatiny. V dalším kroku plánují dokončit vývoj modelu Living Skin a zpřístupnit jej ostatním vědcům. „Doufáme, že to bude podporovat lepší porozumění vývoji a léčbě kožních onemocnění,“ říká Wei. Cílem vědců EMPA se také blíže podívat na neobvyklé otokové vlastnosti jejich hydrogelu.
