Ученые создали инновационный 3D-биопринтер, способный производить новые ткани для трансплантации. Для доказательства работоспособности своего изобретения ученые напечатали часть челюстной кости, мышцу, а также различные хрящевые структуры, в том числе и удивительно пропорционально точное человеческое ухо.
Спустя 10 лет разработок и исследований, команда ученых под руководством Энтони Атала из Института регенеративной медицины в Уэйк Форесте представила свое творение — Систему печати интегрированных тканей и органов (IOPT). Как только трехмерный биопринтер пройдет все необходимые испытания и получит все сертификаты безопасности для использования в человеческих случаях, IOPT можно будет использовать для производства и замены поврежденных, утраченных или пораженных болезнью живых тканей пациентов. А так как в каждом отдельном случае перед собственно самим производством тканей проводится точный компьютерный анализ и моделирование, то система позволяет в индивидуальном порядке, с учетом уникальных особенностей анатомии пациента создавать новые ткани для замены. Детали об этом медицинском и технологическом прорыве были опубликованы в журнале Nature Biotechnology.
Биопринтеры работают по тому же принципу, что и более традиционные 3D-принтеры. Для производства тканей и органов здесь тоже используется технология сложной послойной печати. Однако вместо пластика, резины и металлов в качестве основного материала используются специальные биоматериалы, которые позволяют создавать максимально схожую с настоящей живую ткань.
Нынешняя проблема биопринтеров заключается в том, что они не могут производить ткани определенного размера и прочности. Конечный продукт получается весьма хрупким и структурно нестабильным, чтобы его можно было применять при хирургической трансплантации. Помимо этого, имеющиеся сейчас биопринтеры неспособны воспроизводить такие более тонкие структуры, как кровеносные сосуды. А без кровеносной системы клетки созданных тканей и органов не смогут получать жизненно необходимые питательные вещества и кислород.
«Клетки просто не смогут выжить без микрососудистой системы, размеры которой меньше 200 микрон. Это вершина, которую очень сложно или даже практически невозможно воспроизвести искусственным путем. Для биопечати это стало одной из основных преград», — говорит Атала.
Новая система биопечати позволяет решить все эти проблемы. Перед созданием новой ткани ученые создают специальную форму (макет) из биосовместимых полимерных материалов. После чего специальный нетоксичный для клеток гель на водной основе и доставляет новые клетки к этой структуре. Временная внешняя форма позволяет удерживать форму печатаемого объекта до завершения процедуры. Для решения вопроса ограничения размеров создаваемой ткани исследователи применили специальную систему микроканалов, по которым к клеткам будут доставляться питательные вещества и кислород.
«Мы фактически научились воссоздавать систему капилляров. Мы создаем систему микроканалов, которые ведут себя как капиллярный слой», — говорит Атала.
Для проверки напечатанных биочастей исследователи провели ряд экспериментов на живых животных. Под кожу лабораторных мышей ученые имплантировали человеческие уши. Спустя два месяца после операции уши сохранили свою форму. При этом вокруг них образовалась новая хрящевая ткань и система кровеносных сосудов. Напечатанные ткани мышц ученые имплантировали лабораторным крысам. Как и созданные искусственным путем уши, мышцы тоже сохранили свою первоначальную структурную прочность и особенности.
Далее ученые использовали стволовые клетки для создания челюстных костей, которые после печати были имплантированы в лабораторных крыс. Спустя пять месяцев из этих структур развилась костная васкуляризованная ткань. В будущем напечатанные кости можно будет использовать для лицевых реконструкций у людей.
Васкуляризация (развитие кровеносных сосудов) у 3D-напечатанного уха спустя 3 месяца
Иммунофлуоресцентные изображения показывают трехдневное развитие 3D-напечатанной мышечной ткани
Атала отмечает, что созданные его командой исследователей 3D-напечатанные ткани имеют правильную форму, прочность и обладают функциями и особенностями, которые позволяют использовать ткань в человеческих случаях. Созданная ими система трехмерной биопечати позволяет создавать пропорционально правильные, структурно стабильные ткани практически любой формы, а предварительное компьютерное моделирование помогает подобрать нужные варианты с учетом точных физических требований пациента.
Как только система докажет свою безопасность и эффективность на официальном уровне, то ученые, вполне вероятно, перейдут к человеческим испытаниям.
«По-прежнему не решен вопрос безопасности наших разработок. На необходимые проверки потребуется некоторое время. Нужно будет провести еще множество тестов», — отмечает Атала.
