Трехмерная печать на весу
Искусственные органы научились «подвешивать» в ходе 3D-печати
Олег Лищук, N+1
Британские ученые разработали универсальный метод 3D-печати сложных биологических структур с разными типами клеток (органоидов), который позволяет четко соблюдать их морфологию, механические и химические свойства. Это достигается за счет «подвешивания» образца во время печати в среде из микрометровых гелевых частиц. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Materials (Moxon et al., Suspended Manufacture of Biological Structures).
Органоиды, или искусственные органы из человеческих клеток служат моделями для разнообразных исследований. Во многих случаях их использование приводит к более достоверным результатам, чем эксперименты на животных. Как правило, при создании органоидов в качестве внеклеточного матрикса, поддерживающего клетки и придающую форму всей структуре (в живом организме он состоит из соединительной ткани), используют гидрогели, которым различными способами придают нужную структуру.
Одним из таких способов служит 3D-печать, позволяющая с высокой точностью формировать сложные конструкции из клеток и гидрогеля. Ограничивает применение этого метода то, что гидрогель во время печати должен быть достаточно жидким, из-за чего основание органоида должно иметь значительно большую площадь, чем верхушка, чтобы он не растекся. Подобная конфигурация далеко не всегда соответствует потребностям исследователей.
Чтобы обойти это ограничение, сотрудники Университетов Хаддерсфилда и Бирмингема, а также Королевской ортопедической больницы предложили использовать в качестве поддерживающей среды гелевые частицы микрометрового диаметра. Такая среда не дает гелю с клетками опускаться на дно в процессе печати и сохраняет трехмерную конфигурацию органоида в процессе застывания. При этом, изменяя вязкость среды, можно регулировать разрешение печати. Гели с клетками вводятся с помощью инъекционной иглы. Для фабрикации органоидов можно использовать гидрогели с различными типами клеток. После застывания конструкции поддерживающую среду при необходимости удаляют.
Как показали эксперименты, для изготовления поддерживающих микрочастиц и гидрогеля для печати можно использовать различные материалы, такие как желатин, геллановая камедь, коллаген, гиалуроновую кислоту, агарозу и альгинат в любых сочетаниях. В качестве демонстрации возможностей технологии ученые напечатали в агарозной среде спиральную конструкцию из геллановой камеди с коллоидным гидроксиапатитом (последний нужен для анализа структуры конструкции с помощью компьютерной томографии, поскольку непрозрачен для рентгеновского излучения).
Принцип работы технологии, цилиндрический образец в поддерживающей среде, извлеченный из нее, и его томограмма (здесь и ниже рисунки из статьи в Advanced Materials).
После этого исследователи перешли к экспериментам с живыми клетками. Их целью было подтвердить, что с помощью разработанной технологии можно создать сложную тканевую конструкцию из разных типов клеток и с неоднородной структурой. Для этого они использовали мыщелок бедренной кости с хрящом, удаленный у пациента в ходе протезирования коленного сустава. С помощью дрели в хряще и подлежащей кости проделали цилиндрический дефект, из удаленной ткани извлекли живые клетки. Затем на основе компьютерной томограммы образца построили 3D-модель дефекта. Ее использовали для послойной печати в агарозной поддерживающей среде «заплатки» из геллановой камеди, кристаллов гидроксиапатита и клеток (остеобластов и хондроцитов), точно повторяющей анизотропную структуру кости и хряща.
После четырех недель культивирования в питательной среде напечатанная ткань сохраняла структуру и клеточный состав, а также обладала удовлетворительными механическими свойствами. В хрящевой части образца наблюдался синтез коллагена II типа и аггрекана – маркеров формирования хряща. В направлении костной части соотношение коллагенов II и I типов постепенно изменялось, как и в естественных костно-хрящевых структурах.
Процесс создания костно-хрящевой «заплатки»
«Полученные результаты свидетельствуют, что разработанная нами методика создания трехмерных тканеподобных структур перспективна для использования в регенеративной медицине и исследованиях сложных тканевых структур», – пишут исследователи.
Для получения необходимой трехмерной структуры искусственных органов ученым приходится прибегать к разнообразным ухищрениям. Так, например, американские разработчики предложили использовать для этого машину для изготовления сладкой ваты, а исследователи из Тайваня создали универсальную платформу, которая превращает процесс создания сложных трехмерных гидрогелевых конструкций в аналог тетриса.
Недавно международный научный коллектив сообщил об успешном выращивании из стволовых клеток полноценной ткани кишечника, которая стала одной из самых сложных искусственных тканей на сегодняшний день.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
03.02.2017