Биопечать органов: новые успехи
Американским исследователям, работающим под руководством доцента Джордана Миллера (Jordan Miller) из университета Райса, удалось решить сложнейшую проблему, затруднявшую прогресс в области биопечати органов для заместительной трансплантации. Разработанная ими технология позволяет создавать исключительно сложно переплетающиеся сосудистые сети, воспроизводящие естественные системы, обеспечивающие перемещение по организму воздуха, а также крови, лимфы и других биологических жидкостей.
По словам Миллера, для снабжения питательными веществами плотно заселенных клетками тканей необходима сложная система сосудов. Более того, некоторые органы имеют по две независимых сосудистых системы, таких как системы воздушных путей и кровеносных сосудов в легких или желчных протоков и кровеносных сосудов в печени. Правильная структура этих систем является залогом их эффективного функционирования.
Наибольший интерес представляет собой печень, выполняющая около 500 функций. Из-за сложности этого органа на сегодняшний день специалистам не удалось разработать метод заместительной терапии, которая смогла бы заменить его в случае болезни. Возможно, со временем эту нишу смогут заполнить органы, полученные с помощью биопечати.
Для решения этой проблемы авторы разработали новую открытую технологию биопечати, получившую название SLATE (stereolithography apparatus for tissue engineering, стереолитографический аппарат для тканевой инженерии). Эта система использует аддитивную технологию для послойной печати гидрогелевого матрикса.
Слои печатаются из жидкого раствора, затвердевающего под действием голубого цвета. Расположенный снизу цифровой проектор формирует световые рисунки с размером пикселей от 10 до 50 микрометров и последовательно проецирует их на двухмерные слои гидрогеля. После застывания очередного слоя механизм приподнимает растущую гидрогелевую структуру ровно настолько, чтобы новое световое изображение из проектора попало на следующий слой. Ключевым моментом, предложенным авторами, стало добавление в гидрогель абсорбирующих голубой свет пищевых красителей. Эти фотопоглощающие соединения позволяют ограничивать зоны отвердевания до очень тонких слоев. Все это позволяет системе производить мягкие биосовместимые гидрогелевые структуры с исключительно сложной внутренней архитектурой буквально за считанные минуты.
Эксперименты с полученным с помощью нового метода гидрогелевым органоидом легкого продемонстрировали, что структура достаточно прочна и не разрушается под действием кровотока, а также «дыхания» – ритмичного поступления и выхода воздуха, симулирующего давление и частоту человеческого дыхания. Помимо этого было показано, что эритроциты успешно поглощают кислород при прохождении по «сосудам» такого «легкого», окружающим «альвеолу». Другими словами, гидрогелевый органоид обеспечивает газообмен, обычно происходящий в альвеолах легких.
В рамках экспериментов с терапевтическими имплантатами для лечения заболеваний печени исследователи создали трехмерные гидрогелевые структуры и заселили их клетками печени. Получившиеся имплантаты, имеющие независимые компартменты для кровеносных сосудов и клеток печени, имплантировали мышам с моделированным хроническим поражением печени. Проведенные через 14 дней исследования продемонстрировали сохранность имплантированных клеток печени.
Авторы утверждают, что созданная ими система биопечати также позволяет воспроизводить внутрисосудистые элементы, такие как двустворчатые клапаны, обеспечивающие ток жидкости в одном направлении. У человека такие клапаны имеются в сердце, венах ног и лимфатических протоках.
В настоящее время авторы занимаются дальнейшим усложнением и усовершенствованием технологий биопечати, что позволит производить еще более сложные структуры. По словам Миллера, на сегодняшний день они находятся на самом раннем этапе пути воссоздания внутренней архитектуры органов человека и дальнейшая работа в этом направлении потребует еще немало усилий.
Статья Bagrat Grigoryan et al. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels опубликована в журнале Science.
Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Rice University: Organ bioprinting gets a breath of fresh air.