Предложена технология трехмерной печати искусственных биологических тканей с сосудистыми системами

Исследователи надеются, что новые достижения в области инженерии органических тканей и регенеративной медицины когда-нибудь сделают возможным выращивание печени из клеток пациента или никогда «не мычавшего и не бегавшего по лугам»  животного мяса, которое можно порезать на стейки и зажарить. Биоинженеры уже способны конструировать двумерные структуры из разных типов тканей, но одной из важнейших задач на пути к трехмерным структурам является поиск техники, уберегающей клетки в объемных структурах от «удушия»; органы имеют сложные трехмерные сети сосудов, прокачивающие кровь, а значит, обеспечивающие клетки питанием, которые очень не просто воспроизвести в лаборатории.

Недавно ученые из Университета в Пенсильвании (University of Pennsylvania) предложили инновационное решение проблемы «кровоснабжения»: они доказали, что трехмерные печатные волокна можно использовать для быстрого создания сосудистых сетей, улучшая таким образом свойства и функции искусственных живых тканей.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, проводилось командой под руководством доктора биоинженерии Джордана Миллера (Jordan S. Miller) и профессора Кристофера Чена  (Christopher S. Chen) из Отделения Биоинженерии (the Department of Bioengineering) при Университете в Пенсильвании; в команду также входили профессор Санжита Бхатия (Sangeeta N. Bhatia), возглавляющая Лабораторию Масштабируемых Регенеративных Технологий (Laboratory for Multiscale Regenerative Technologies) при Массачусетском Технологическом Университете (Massachusetts Institute of Technology, MIT) и доктор Келли Стивенс (Kelly R. Stevens) из лаборатории Бхатия.

Кровеносная система играет колоссальную роль в обеспечении клеток живого организма питательными веществами. Клетки в объемных искусственных тканях также нуждаются в своевременном питании и отводе продуктов метаболизма

Без системы кровоснабжения – основного средства доставки нутриентов (питательных веществ) и удаления отходов метаболизма – живые клетки, помещенные в объемную тканевую структуру, быстро погибают.  Такая проблема не наблюдается в тонких тканях, состоящих из нескольких слоев клеток, поскольку все клетки в них имеют прямой доступ к нутриентам и кислороду. Биоинженеры осваивают метод трехмерной печати для производства объемных тканей, содержащих большое количество живых клеток.

Наиболее известная биоинженерная техника базируется на выращивании ткани слой за слоем - биопечати, при которой одиночные слои или капельки, составленные из клеток и геля-основы, сначала производят, а затем собирают их вместе, добавляя по одной капле за раз, что напоминает возведение конструкции из деталей LEGO.

При помощи этого метода «пошагового производства» можно создавать сложные формы из разнообразных материалов, но данный способ не подходит для печати клеточных структур с кровеносными системами. Швы, соединяющие полые «транспортные» каналы, которые пролегают между слоями ткани, могут разойтись, если по каналам прогонять жидкость. Кроме того, некоторые виды клеток, вроде клеток печени, не способны пережить длительную процедуру трехмерной биопечати.

Чтобы разрешить такую проблему, исследователи из Университета в Пенсильвании вывернули процесс печати «наизнанку».

Вместо того чтобы послойно печатать крупные структуры тканей, оставляя межу ними васкулярные каналы (аналоги сосудов), Чен и его коллеги сосредоточились на самой сосудистой сети и спроектировали автономные трехмерные волокнистые сети, которые должны были заместить васкулярную систему, заранее помещенную в нечто подобное «форме для литья». Способ получения плотной искусственной органической ткани, как бы «заключающей» в себе волокна, схож с применяемой тысячелетия техникой, называющейся литьем по выплавляемой модели (ее суть состоит в том, что в форму для литья помещают глину, покрытую воском, воск тает и вытекает из формы, а его место занимает бронза, которая и образует полую скульптуру после отделения глины): форму и васкулярную основу убирают после добавления клеток.

Полученное с помощью микроскопа изображение "напечатанной" на 3D-принтере сахарной заготовки, предназначенной для создания сосудистой сети в живой ткани

«Иногда решение может быть элементарным», - говорит Миллер. «Первую подсказку для такого решения я нашел, когда посетил выставку «Мир тел», где среди прочего можно увидеть пластиковые слепки полноценных сосудистых сетей из разных органов».

Техника «быстрого литья» потребовала от исследователей создать материал, достаточно жесткий для формирования трехмерной сети цилиндрических волокон, но в то же время легко растворяющийся в воде без негативного токсичного воздействия на клетки. Такой материал, помимо этого, должен быть совместимым с 3D-принтером, чтобы на его основе можно было производить сложные васкулярные сети на порядок быстрее и в больших масштабах по сравнению с послойной биопечатью.

После продолжительных экспериментов команда остановилась на сахаре – простом и доступном материале, обладающем необходимыми свойствами. Сахар механически прочен и - в форме целлюлозы - образует большую часть биомассы на планете, а кроме того, компоненты сахара активно участвуют в питательных процессах, ускоряющих рост клеток.

«Мы протестировали множество разных формул сахара, прежде чем нам удалось свести воедино все нужные нам характеристики», - продолжает Миллер. «А поскольку не существует универсального типа геля, оптимального для создания любого вида ткани, мы хотели получить такую формулу сахара, которая была бы полностью совместима с любыми типами клеточных или основывающихся на воде гелей».

Конечная формула представляет собой комбинацию сахарозы, глюкозы и усиливающего прочность структуры декстрана, а вещество на базе этой формулы пригодно для печати на 3D-принтере. Ученые использовали open-source устройство RepRap со специально разработанным для целей ученых экструдером и программным обеспечением. Чтобы придать стабильность напечатанной структуре, исследователи покрыли заготовки тонким слоем разлагающегося полимера, полученного из кукурузы. Благодаря этому покрытию сахарные заготовки «распадаются» и вытекают из геля-основы через создаваемые исследователями каналы, не изменяя жидкостных свойств геля и не повреждая растущие клетки. После того как сахар разложился, ученые начали прокачивать жидкость через образовавшиеся сосудистые сети, чтобы доставить клеткам нутриенты и кислород – подобно тому, как это происходит в организме.

Производство искусственного мяса, не уступающего по своим вкусовым характеристикам настоящему мясу, станет доступнее благодаря новой технологии трехмерной печати полноценных тканей

Сам процесс является быстрым и недорогим с точки зрения реализации, что позволяет ученым с легкостью переключаться с компьютерного моделирования на физические модели васкулярных сетей в разных конфигурациях.

«Эта новая технология производства искусственных тканей весьма безопасна для клеток», - отмечает Чен. «Процедура подразумевает всего лишь ручное переливание жидкости с клетками в форму, после чего они получают питание через образовавшуюся васкулярную сеть».

Исследователи также обнаружили, что клетки крови человека, пропускаемые через искусственную васкулярную сеть, создают новые «отростки»-капилляры, чтобы расширить кровеносную сеть – в теле человека кровеносные сосуды растут схожим образом.

В качестве дополнительного доказательства высокой эффективности своего метода ученые приводят тот факт, что структуры, построенные из живых клеток печени, способны производить альбумин и карбамид, что свидетельствует о полноценном функционировании клеток в подобных структурах с искусственными системами снабжения питательными растворами.

«Клеточным биологам идея трехмерной печати тканей, содержащих сосудистые сети, в целом нравится, но раньше для производства таких тканей им понадобилось бы специализированное оборудование и помощь экспертов», - уточняет Миллер. «Теперь же это не требуется; наши васкулярные заготовки на основе сахара достаточно стабильные и прочные, и потому их можно в готовом виде поставлять в лаборатории по всему миру».

-----------

Любая бытовая техника рано или поздно приходит в неисправность. Если вдруг это случилось, вы можете обратится в ремсервис, где вам окажут квалифицированную помощь. Детали на сайте http://rem-service24.ru/. Вы можете доверить нам свою технику.