Ученые успешно сконструировали трехмерный эпидермис человека на основе прогнозов, сделанных с помощью их математической модели эпидермального гомеостаза, что стало новым инструментом для фундаментальных исследований и разработки лекарств.
Согласно результатам экспериментов группы, эпидермальный эквивалент, сделанный из эпидермальных клеток человека, теперь обладает превосходной функциональностью в качестве барьера.
Экспериментальные модели эпидермиса человека являются важными инструментами не только для фундаментальных исследований функций эпидермиса, кожных заболеваний и старения кожи, но и для разработки лекарств, косметики и других продуктов. Несмотря на это, предыдущие эпидермальные модели недостаточно имитировали реальный эпидермис человека. Например, использование эпидермальных клеток в предыдущих методах привело к получению слишком тонких эпидермисов.
В настоящем исследовании, опубликованном в Scientific Reports, исследовательская группа, включающая профессора Университета Хоккайдо Масахару Нагаяму, научного сотрудника Дзюнъити Кумамото и Митухиро Денда из Глобального инновационного центра Shiseido, разработала математическую модель эпидермального гомеостаза путем включения различных клеточных процессов, дифференциации эпидермальных клеток и характеристик эпидермальные стволовые клетки, чтобы построить эпидермис.
Используя модель, команда провела компьютерное моделирование и обнаружила, что на толщину и структуру эпидермиса влияет пространственное распределение эпидермальных стволовых клеток и структура базального слоя, на который они были засеяны. Исследователи выдвинули гипотезу, что на основе компьютерного моделирования нанесение текстуры, в частности синусоидальных волн, на дно эпидермальных клеток приведет к получению толстых эквивалентов эпидермиса.
Исследователи использовали сосуд для культивирования, доступный на рынке, и поместили базальный слой из полиэфирной сетки с различной толщиной нити и плотностью решетки, чтобы сделать его поверхность неровной. Эпидермальные клетки человека или кератиноциты были засеяны на этом слое. Клетки культивировали в течение 12 дней с использованием коммерчески доступной среды для культивирования клеток и обычного метода культивирования для получения эпидермального эквивалента.
Затем изучали толщину, барьерные функции, количество и распределение пролиферированных клеток эпидермального эквивалента. Результаты показывают, что эпидермальная модель, которая контактирует с полиэфирной сеткой в базальном слое с неровной поверхностью, дает очень толстую эпидермальную модель, демонстрирующую нормальные характеристики эпидермальных клеток человека. Измерение трансэпидермальной потери воды (TEWL) показало, что модель имеет отличную барьерную функцию. TEWL был в два раза выше, чем у тех, которые культивировались без использования субстрата из полиэфирной сетки.
"Этот толстый трехмерный эпидермальный эквивалент будет полезен для раскрытия механизмов кожных заболеваний, включая ксеродерму, сопровождающую старение, и проверки эффективности лекарств и косметических средств, вводимых трансдермально," говорит Митухиро Денда. "Результаты также подтверждают идею о том, что математическое моделирование сложных биологических процессов может иметь практическое значение в области медицины и наук о жизни," Масахару Нагаяма добавил.