Исследования искусственных тканей человека, напечатанных на 3D-биопринте, олицетворяют будущее, в котором любая часть нашего физического тела может быть заменена, начиная от хрящей и мягких тканей и заканчивая полноценными рабочими органами, такими как кожа, печень и почки. Благодаря исследовательским/производственным компаниям, таким как Organovo, GeSim, EnvisionTEC и многим другим, у ученых теперь есть доступ к биоплоттерам, машинам, которые могут печатать биологические ткани с помощью процесса, аналогичного струйной печати.
Вместо чернил в этих машинах используются гидрогели, представляющие собой жидкие гели из живых клеток. Эти гели собираются в соответствии с инструкциями САПР для формирования тканей. Процесс биопечати совершил гигантский скачок за последний год или два, но самое большое препятствие еще предстоит преодолеть, причина, по которой ученые до сих пор не смогли дать нам точную оценку того, когда у нас будут полностью функциональные органы, напечатанные на 3D-принтере. является васкуляризация.
Это означает, что напечатанная на 3D-принтере ткань кожи, почек или печени должна иметь капиллярную сеть кровеносных сосудов, которые проходят через нее, чтобы переносить питательные вещества и кислород и поддерживать ее жизнь. Внутри ткани эти кровеносные сосуды должны становиться все тоньше и тоньше, пока они не станут микроскопическими: воссоздать их в цифровом виде с помощью гидрогелевой печатающей головки - непростая задача.
Но ученые из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) и Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете сделали значительный шаг к достижению этой цели. Они разработали новый метод биопечати, с помощью которого создаются трехмерные ткани со сложной структурой из нескольких типов клеток и крошечных кровеносных сосудов.
«Это основополагающий шаг к созданию трехмерной живой ткани», - сказала Дженнифер А. Льюис, старший автор исследования. Прежде чем напечатать органы на 3D-принтере, первая давняя цель, к которой стремятся ученые, - это создание искусственной ткани человека, достаточно реалистичной для проверки безопасности и эффективности лекарств. Для этого они могут использовать различные «биочернила» (в форме гидрогеля) для двухмерной биопечати очень тонких слоев органической ткани. Когда слои складываются и становятся толще (и трехмерными), клетки во внутренних слоях умирают, потому что кислород не может полностью добраться до них. Именно поэтому так важна васкуляризация.
Ученым из Гарварда удалось разработать новые биочернила, которые упростили создание кровеносных сосудов внутри слоев. Одни биочернила использовались для печати внеклеточного матрикса, биологического материала, который связывает клетки в ткани. Второй биочернил содержал как матрицу, так и живые клетки. Обе эти биочернила тают при нагревании и затвердевают при остывании. С другой стороны, новые биочернила разжижаются при охлаждении. Таким образом, он использовался для создания взаимосвязанной сети нитей, которые затем расплавлялись - по мере остывания органической ткани - оставляя после себя сеть крошечных полых трубок.
Система была протестирована путем создания различных тканей с разнообразной сложной архитектурой, каждая из которых содержала кровеносные сосуды и три разных типа клеток. Впоследствии они ввели эндотелиальные клетки человека (тип клеток, из которых состоит ткань, выстилающая кровеносные сосуды), и обнаружили, что клетки остались живыми и даже росли.
«Тканевые инженеры ждали такого метода», - сказал Дон Ингбер, профессор биологии сосудов и биоинженерии Джуды Фолкмана в Гарварде и директор-основатель Института Висса.«Возможность формировать функциональные сосудистые сети в трехмерных тканях до их имплантации не только позволяет формировать более толстые ткани, но также повышает возможность хирургического соединения этих сетей с естественной сосудистой сетью для обеспечения немедленной перфузии имплантированной ткани, что значительно увеличить их приживление и выживаемость».
В будущем эти ткани будут использоваться для создания полнофункциональных заменителей поврежденных или больных тканей, разработанных на основе данных компьютерной томографии с использованием автоматизированного проектирования (CAD), напечатанных в 3D одним нажатием кнопки, и используется хирургами для восстановления или замены поврежденной ткани. Только в ноябре прошлого года возможность успешного создания искусственной васкуляризированной ткани казалась такой близкой и в то же время такой далекой. Наоборот, он был даже ближе, чем кто-либо мог себе представить. Но так часто бывает в мире 3D-печати.