В то время как такие компании, как Organovo и Rainbow Biosciences, работают над 3D-печатью клеток печени из тканей человека, наноинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего уже работают над собственным устройством для 3D-печати печени. Только это не трансплантат, он предназначен для работы вне тела, печеночный эквивалент аппарата для диализа. Используя наночастицы, устройство предназначено для улавливания порообразующих токсинов, которые повреждают клеточные мембраны и, как следствие, вызывают заболевания, связанные с укусами животных и бактериальными инфекциями.
Из отчета, опубликованного в Nature Communications: «Наночастицы PDA (зеленые) встроены в гидрогелевую матрицу PEGDA (серого цвета) с 3D-структурой, имитирующей печень, изготовленную с помощью 3D-печати. Наночастицы притягивают, захватывают и ощущают токсины (красный цвет), а трехмерная матрица с измененной структурой долек печени позволяет эффективно улавливать токсины».
В прошлом ученым удавалось противодействовать токсинам в кровотоке с помощью наночастиц. Единственная проблема заключается в том, что эти наночастицы могут накапливаться в печени, вызывая вторичное отравление, особенно у пациентов, уже предрасположенных к печеночной недостаточности. Чтобы обойти эту проблему, профессор Шаочен Чен и его команда наноинженеров напечатали на 3D-принтере матрицу из гидрогеля, в которой заключены наночастицы. Устройство действует аналогично печени, обнаруживая, притягивая и улавливая токсины из кровотока, но имеет большую площадь поверхности, чтобы более эффективно притягивать и улавливать токсины. Хотя устройство все еще находится на стадии проверки концепции, оно было протестировано в ходе исследования in vitro, где оно продемонстрировало способность полностью нейтрализовать порообразующие токсины.
От Nature Communications: «(a) Рациональный дизайн трехмерной структуры, имитирующей печень. Модифицированная топология дольки печени позволяет токсинам эффективно проникать в трехмерную матрицу. (b) Маски, которые используются для печати трехмерной структуры, имитирующей печень. В качестве альтернативы использованию этих масок в технологии DOPsL создается биологически активный детоксикант с четырьмя слоями структуры, имитирующей печень. (c) Трехмерная структура детоксиканта, измеренная с помощью лазерной конфокальной микроскопии. При инкубации с мелиттином (50 мкг мл−1, 300 мкл) красная флуоресценция ФДА позволяет реконструировать микроструктуру детоксиканта в 3D. (d) Изображение этого детоксиканта, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Масштабная линейка, 50 мкм. (e) Динамический тест на эффективность нейтрализации со сравнением структуры-миметика печени (3D-структура) и пластинчатого контроля (т.е. с одинаковым общим объемом). После инкубации раствора мелиттина с детоксикантом в течение разного времени эффективность нейтрализации проверяли гемолитическим методом. (f) Центрифугированные эритроциты после инкубации с физиологическим раствором (контроль), мелиттин (5 мкг мл−1), мелиттин, обработанный детоксикантом, или мелиттин, обработанный наночастицами PDA. Красный цвет указывает на цитолиз эритроцитов. (g) Эффективность нейтрализации 3D-детоксификатора. Для сравнения используется эквивалентное количество наночастиц ПДА».
Чен считает, что 3D-печать изменит то, как врачи могут очищать организм от токсинов: «Идея использования 3D-печати для инкапсуляции функциональных наночастиц в биосовместимый гидрогель является новой. Это вдохновит на создание многих новых разработок методов детоксикации, поскольку 3D-печать позволяет производить высокофункциональные продукты для конкретных пользователей или конкретных объектов.”
Технология 3D-биопечати профессора ранее освещалась на 3DPI еще в 2012 году, когда он смог 3D-печатать сложные микро- и наноразмерные биосовместимые структуры из гидрогеля, используя метод, называемый динамической оптической проекционной стереолитографией (DOPsL). DOPsL представляет собой интересное расширение стандартной стереолитографии, в котором используется компьютерная проекционная система для отражения света от управляемых микрозеркал на светочувствительные биополимеры. Техника продвигается благодаря четырехлетнему гранту Национального института здравоохранения в размере 1,5 миллиона долларов.
Чтобы прочитать более подробные научные сведения об исследовании, см. исследование, опубликованное в Nature Communications.