Новая парадигма 3D-печати
Каждый день в Соединенных Штатах умирает 20 человек, не дождавшихся органа для трансплантации. И хотя ежегодно проводится более 30 000 трансплантаций, в настоящее время в этой стране в списках ожидания находятся более 113 000 пациентов. Искусственно выращенные органы человеческого тела рассматриваются многими как главная альтернатива трупным органам, и достижения в области трехмерной печати привели к активному развитию этой техники для создания тканей и органов. Однако на сегодняшний день ни одна человеческая 3D-ткань не имеет достаточной плотности клеток и не способна выполнять функции на уровне, необходимом для использования при восстановлении и замене органов.
Группа исследователей из Института Висса Гарвардского университета и Гарвардской школы инженерных и прикладных наук им. Джона А. Полсона (John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) разработала новую методику удаляемой печати в функциональную ткань (Sacrificial Writing Into Functional Tissue, SWIFT).
SWIFT заключается в 3D-печати сосудистых каналов в живых матрицах, состоящих из структурных блоков органов, полученных из стволовых клеток. В итоге получаются жизнеспособные специфичные для конкретного органа ткани с высокой клеточной плотностью и функциональностью.
Живые эмбриоидные тельца, окружающие полый сосудистый канал, напечатанный методом SWIFT. Источник здесь и далее: Wyss Institute at Harvard University.
Другими словами, вместо того, чтобы печатать матрицу целого органа, SWIFT фокусируется только на печати сосудов, необходимых для поддержания конструкции живой ткани, содержащей большое количество структурных блоков из собственных клеток пациентов.
Техника SWIFT состоит из двух этапов. Процесс начинается с формирования из сотен тысяч агрегатов стволовых клеток плотной живой матрицы (структурных блоков), которая содержит около 200 миллионов клеток в одном миллилитре. Затем в матрицу путем печати и удаления чернил внедряется сосудистая сеть, по которой кислород и другие питательные вещества будут доставляться к клеткам. Формирование структурных блоков позволяет одним выстрелом убить двух зайцев: достигается и высокая плотность клеток, сродни человеческим органам, и необходимая вязкость матрицы, позволяющая напечатать в ней широкую сеть пронизывающих каналов (будущих кровеносных сосудов).
Процесс биопечати SWIFT: формирование плотных структурных блоков из живых клеток, печать и удаление желатиновых чернил и создание сердечной ткани, которая сокращается как живое сердце в течение семи дней.
Клеточные агрегаты, используемые в методе SWIFT, получают из взрослых индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, добавленных в раствор специально разработанного внеклеточного матрикса для получения живой конструкции, которую уплотняют центрифугированием. При низких температурах (0-4°C) плотная матрица имеет консистенцию майонеза – достаточно мягкую, чтобы манипулировать в ней без повреждения клеток, но достаточно плотную, чтобы сохранять форму. Это делает ее идеальной средой для трехмерной печати сосудов.
Во время печати тонкая форсунка движется через живую матрицу, оставляя нить желатиновых «чернил», которая расталкивает клетки, не повреждая их.
Разветвленная сеть каналов из желатиновых чернил (красного цвета) при 3D-печати в живой сердечной ткани, состоящей из миллионов клеток (желтого цвета), с помощью тонкой насадки.
Когда холодную матрицу нагревают до 37 °C, она становится твердой, а желатиновые чернила плавятся и могут быть удалены. На их месте остается сеть каналов в толще тканевой конструкции, в которые можно вводить насыщенную кислородом среду для питания клеток. Диаметр каналов может варьировать от 400 микрометров до 1 миллиметра, каналы можно плавно соединять, образуя разветвленные сосудистые сети в тканях.
В тканях, созданных без каналов, начинается гибель клеток (красный цвет) в центре спустя 12 часов после культивирования (слева), тогда как в ткани с SWIFT-каналами (справа) клетки здоровы.
Органо-специфические ткани, которые были напечатаны с использованием SWIFT и перфузированы питательной средой, сохраняли жизнеспособность, в то время как клетки тканей без этих каналов гибли в течение 12 часов.
Чтобы увидеть, выполняют ли SWIFT-ткани специфические для органа функции, команда создала блоки с каналами, содержащие сердечные клетки. Перфузия через эти каналы в течение более недели привела к слиянию структурных блоков и формированию более прочной сердечной ткани, которая относительно синхронно и достаточно сильно сокращалась, имитируя ключевые черты человеческого сердца.
Биопроизводство методом SWIFT очень перспективно для создания органо-специфичных тканей. Такого успеха авторам удалось добиться благодаря интеграции последних достижений в работе со стволовыми клетками и методов биопечати, разработанных в лаборатории Гарвардского университета.
В настоящее время группа сотрудничает с коллегами из Бостонского университета и Массачусетского технологического института для испытаний на животных моделях и оценки интеграции SWIFT-тканей с живым организмом.
Статья M. A. Skylar-Scott et al. Biomanufacturing of organ-specific tissues with high cellular density and embedded vascular channels опубликована в журнале Science Advances.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Wyss Institute: A swifter way towards 3D-printed organs.