Биоинженеры сняли главное препятствие на пути к 3D-печати органов, с помощью передовой технологии биопечати тканей.
Новое нововведение позволяет ученым создавать изысканно запутанные сосудистые сети, имитирующие естественные каналы организма для крови, воздуха, лимфы и других жизненно важных жидкостей.
Исследование включает в себя визуально ошеломляющее подтверждение правила — гидрогелевую модель воздушного мешка, имитирующего легкое, в котором дыхательные пути доставляют кислород к окружающим кровеносным сосудам. Также сообщалось о экспериментах по вживлению мышам бинапечатанных конструкций, содержащих клетки печени.
Работа велась биоинженерами Джорданом Миллером из Университета Райса и Келли Стивенс из Университета Вашингтона (УВ) и включала 15 сотрудников из Rice, UW, Duke University, Rowan University и Nervous System, дизайнерской фирмы в Сомервилле, штат Массачусетс.
«Одним из самых больших препятствий для создания функциональных бионапечатанных заменителей тканей была наша неспособность напечатать сложную сосудистую систему, которая может поставлять питательные вещества в густонаселенные ткани», — сказал Миллер, доцент биоинженерии в Школе Инженерии Райса Брауна. Далее, наши органы фактически содержат независимые сосудистые сети — такие как дыхательные пути и кровеносные сосуды, легких или желчные протоки и кровеносные сосуды в печени. Эти взаимопроникающие сети физически и биохимически запутаны, а сама архитектура тесно связана с функцией тканей. Наша технология является первой технологией биопечати, которая решает проблему мультиваскуляризации прямым и всеобъемлющим образом.»
Стивенс, доцент биоинженерии в Инженерном Колледже Университета Вашингтона, доцент патологии в Медицинской Школе Университета Вашингтона, сказал, что мультиваскуляризация важна, потому что форма и функция часто идут рука об руку.
«Тканевая инженерия боролась с этим в течение последнего поколения», — сказал Стивенс. «С помощью этой работы мы теперь можем задать вопрос: «если мы сможем печатать ткани, которые выглядят и даже дышат практически как здоровые ткани в наших телах, будут ли они также функционально вести себя как эти ткани? Это важный вопрос, потому что, как бионапечатаные ткани будут функционировать будет зависеть эффективность использования их в качестве терапии.»
Цель биопринтинга здоровых, функциональных органов обусловлена необходимостью трансплантации органов. Только в Соединенных Штатах более 100 000 человек находятся в очереди на трансплантацию, и те, кто в конечном итоге получает донорские органы, по-прежнему сталкиваются с пожизненным применением иммунодепрессивных препаратов для предотвращения отторжения органов. За последнее десятилетие биопринтинг вызвал большой интерес, поскольку теоретически он может решить обе проблемы, позволяя врачам печатать замещающие органы из собственных клеток пациента. Готовый запас функциональных органов может быть однажды развернут для лечения миллионов пациентов по всему миру.
«Мы предполагаем, что биопринтинг станет основным компонентом медицины в течение следующих двух десятилетий», — сказал Миллер.
«Печень особенно интересна тем, что она выполняет умопомрачительные 500 функций, вероятно, уступая в этом показателе только мозгу», — сказал Стивенс. «Сложность печени означает, что в настоящее время нет машины или терапии, которая может заменить все ее функции, когда она выходит из строя. Биопечать органов возможно со временем сможет помочь и в этом вопросе.»
Чтобы решить эту проблему, команда создала новую технологию биопечати с открытым исходным кодом, получившую название «стереолитографический аппарат для тканевой инженерии» или SLATE. Система использует аддитивное производство для того чтобы производить один слой мягких гидрогелей за один проход.
Слои печатаются с использованием жидкого гидрогеля который отвердевает под воздействием голубого света. Цифровой световой проектор светит снизу, показывая последовательные 2D-срезы структуры с высоким разрешением, с размерами пикселей в диапазоне от 10-50 мкм. С каждым затвердевшим слоем, верхний рычаг поднимает растущую структуру из 3D-геля на уровень достаточный, чтобы экспонировать жидкость на следующее изображение с проектора. Ключевой инсайт Миллера и Баграта Григоряна, аспиранта и ведущего соавтора исследования из Университета Райса, заключался в добавлении пищевых красителей, поглощающих синий свет. Эти фотоабсорберы ограничивают затвердевание очень тонким слоем. Таким образом, система может производить мягкие, биосовместимые гели на водной основе со сложной внутренней архитектурой за считанные минуты.
Анализ структуры, имитирующей легкие, показал, что ткани достаточно прочны, чтобы избежать разрыва во время кровотока и пульсирующего «дыхания» — ритмичного всасывания и оттока воздуха, имитирующего давление и частоту дыхания человека. Тесты показали, что эритроциты могут поглощать кислород, когда они протекают через сеть кровеносных сосудов, окружающих «дышащий» воздушный мешок. Это движение кислорода подобно газообмену, который происходит в альвеолярных воздушных мешках легких.
Чтобы спроектировать самую сложную структуру, имитирующую легкие, которая представлена на обложке журнала Science, Миллер сотрудничал с соавторами исследования Джессикой Розенкранц и Джесси Луисом-Розенбергом, соучредителями Nervous System.
«Когда мы основали Nervous System, нашей целью была адаптации алгоритмов природы к новым способам проектирования продуктов», — сказала Розенкранц. «Мы никогда не думали, что у нас будет возможность вернуться к этому и спроектировать живые ткани.»
В тестах терапевтических имплантатов при заболеваниях печени команда печатала 3D ткани, загружала их первичными клетками печени и имплантировала их мышам. Ткани имели отдельные отсеки для кровеносных сосудов и клеток печени и были имплантированы мышам с хроническим повреждением печени. Тесты показали, что клетки печени пережили имплантацию.
Миллер сказал, что новая система биопечати также может производить внутрисосудистые функции, такие как двухстворчатые клапаны, которые позволяют жидкости течь только в одном направлении. В организме человека, внутрисосудистые клапаны найдены в сердце, венах ног и комплементарных сетях, таких как лимфатическая система, у которых нет никаких насосов для того чтобы управлять подачей.
«С добавлением многососудистой и внутрисосудистой структуры мы вводим обширный набор дизайнерских свобод для проектирования живой ткани», — сказал Миллер. «Теперь у нас есть свобода и возможность воспроизводить многие сложные структуры, найденные в организме.»
Миллер и Григорян коммерциализируют ключевые аспекты исследования через Хьюстонскую стартап-компанию Volumetric. Компания, к которой Григорян присоединился на постоянной основе, занимается разработкой и производством биопринтеров и биочернил.
Миллер, давний чемпион 3D-печати с открытым исходным кодом, сказал, что все исходные данные экспериментов в опубликованном научном исследовании находятся в свободном доступе. Кроме того, доступны все 3D-файлы для печати, необходимые для создания устройства стереолитографии, а также файлы дизайна для печати каждого из гидрогелей, используемых в исследовании.
Миллер сказал, что его лаборатория уже использует новые методы проектирования и биопечати для изучения еще более сложных структур.
«Мы только в начале нашего исследования архитектур, найденных в человеческом теле», — сказал он. — Нам еще так много предстоит узнать.»
Источник: Rice University