Трехмерная печать органов на сети из углеводных микроволокон
Специалисты надеются, что новые достижения в области тканевой инженерии и регенеративной медицины в ближайшем будущем позволят выращивать органы для трансплантации из собственных клеток пациента, а также получать пригодную для кулинарных целей мышечную ткань животных в лабораторных условиях.
Исследователи уже научились выращивать двухмерные структуры различных типов тканей, однако одной из сложностей, стоящих на пути получения максимально приближенных к реальности трехмерных структур является снабжение клеток во всем объеме выращиваемых органов кислородом и питательными веществами. В организме органы и ткани пронизаны сложной системой кровеносных сосудов, которую до сих пор не удавалось воспроизвести в лаборатории.
Ученые университета Пенсильвании разработали инновационное решение проблемы кровоснабжения искусственных органов. Они продемонстрировали, что для быстрого формирования сосудистой сети и улучшения функционирования искусственных органов и тканей можно использовать созданные с помощью принтера трехмерные структуры из микроволокон.
Наиболее популярной методикой создания искусственных тканей является трехмерная печать, заключающаяся в формировании отдельных слоев или капель из клеток и геля, впоследствии соединяющихся друг с другом наподобие блоков LEGO.
Этот метод позволяет создавать сложные формы из различных материалов, однако при работе с клетками формирование сосудистой сети является практически невыполнимой задачей. Между слоями сформированных с помощью 3D-печати полых канальцев остаются швы, которые могут расходиться под давлением. Что еще более важно, многие типы клеток, например, клетки печени, не способны выдержать процесс трехмерной биопечати.
Чтобы обойти эту проблему, авторы радикально изменили традиционный подход. Вместо создания большого объема ткани, пронизанной полыми канальцами сосудистой сети, они разработали сеть из микроволокон, имитирующую структуру сосудистой сети и находящуюся внутри формы. Далее они применили метод, аналогичный литью по выплавляемой модели, в течение тысяч лет применяемому для создания статуй. При этом после того, как внесенные в форму клетки сформируют плотную ткань, форма удаляется, а микроволокна растворяются в воде. Получающийся в результате растворения микроволокон раствор вытекает из сформировавшихся канальцев, не оказывая токсичного действия на клетки.
Полученное с помощью микроскопа изображение напечатанной на биопринтере трехмерной матрицы, предназначенной для создания сосудистой сети.
Фото: Jordan S. Miller
Оптимальным материалом для таких волокон оказалась смесь углеводов, состоящая из глюкозы и сахарозы с добавлением декстрана, обеспечивающего прочность трехмерной структуры.
Для дополнительной стабилизации создаваемые с помощью трехмерного принтера RepRap волокна покрываются тонким слоем биоразлагаемого полимера.
После удаления микроволокон через пронизывающие сформировавшуюся ткань канальцы прокачивается специальный раствор, который снабжает клетки питательными веществами и кислородом и выводит продукты жизнедеятельности.
Весь процесс не требует больших временных и финансовых затрат и позволяет исследователям с легкостью реализовать результаты компьютерного моделирования в заготовки сосудистых сетей в будущих органах различных конфигураций.
Более того, клетки кровеносных сосудов, введенные внутрь формирующихся при удалении микроволокон полостей, спонтанно формируют новые капиллярные ростки, что дополнительно увеличивает снабжаемую питательными веществами зону ткани.
Тестирование сформированной таким образом «кровеносной системы» на содержащей клетки печени гелевой матрице показало, что при прокачивании через сосуды богатой питательными веществами среды в заключенных в гель гепатоцитах резко повышалась продукция альбумина и мочевины, что является важным показателем функционирования и общего состояния клеток печени. Кроме того, для клеток, располагающихся вокруг канальцев, выполняющих функцию кровеносных сосудов, была характерна более высокая выживаемость.
Исследователи считают, что у предлагаемого ими подхода большое будущее в регенеративной медицине, однако при этом отмечают, что им еще предстоит разработать метод интеграции сосудистых канальцев с сосудами пациента, а также научиться увеличивать концентрацию гепатоцитов (а в будущем – и других клеток) в гелевой матрице до клинически целесообразных уровней.
Статья Jordan S. Miller et al. Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues опубликована в журнале Nature Materials.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам University of Pennsylvania:
Penn Researchers Improve Living Tissues With 3D Printed Vascular Networks Made From Sugar.
06.07.2012