Исследования в сфере 3D-биопечати могут привести к трансплантации живых тканей человеческого тела

3D-биопечать – это новая поражающее воображение технология, которая позволяет буквально за день изготовить живые ткани для имплантации в человеческое тело. Команда ученых из Университета Суонси, Великобритания, работает над созданием технологии 3D-биопечати нового поколения, а также ищет биологические методы производства живых тканей. Они считают, что их исследование поможет при создании живых структур, которыми можно будет заменять поврежденные или пораженные участки тканей. Результаты их работы позволят производить ткани для имплантации в колено или бедро пациента, страдающего артритом, а также спасать человеческие жизни при раке желудка, трахеи или молочной железы. Новый этап в развитии этой технологии когда-нибудь приведет к эволюции в области восстановительной медицины.

Исследовательская группа из Медицинского колледжа Университета занимается разработкой технологии создания таких живых структур. В ходе работы применяется последняя версия 3D-биопринтера 3Dynamic Tissue Engineering Workstation, что гарантирует более точную, надежную и доступную печать. Доктор Даниель Томас, один из участников группы, объясняет:

«Мы разработали новый метод 3D-биопечати, который, несомненно, приведет к повсеместному распространению этой технологии, позволяя проводить эксперименты как в университетах, так и в больницах. В самое ближайшее время 3D-биопечать обзаведется армией последователей, а новые открытия в этой области позволят исследователям заниматься эффективным производством тканей».

Ученые приступили к работе два года назад. Тогда еще не было такого устройства, как 3D-биопринтер, умеющий производить мягкие ткани. Команда из Суонси спроектировала и собрала устройство, которое позволяло работать с необходимым материалом. Этот принтер был предназначен исключительно для производства тканей, которые изготавливались из хрящевых клеток, формирующих и поддерживающих хрящевой матрикс в некоторых тканях человеческого тела. Принтер придает клеткам биологическую структуру, например, трахеи. Чтобы повторить такую сложную конструкцию, требуется невероятная точность и аккуратность. Когда пришло понимание, что у этой технологии есть свои перспективы, началась разработка аппаратного и программного обеспечения для 3D-биопечати. Ее появление напрямую связано с открытиями, сделанными в традиционной трехмерной печати. Биопечать развивалась параллельно с исследованиями, в ходе которых изучались аспекты клеточной самоорганизации, биологии развития и процесса созревания клеток с целью производства сложных живых структур.

Сегодня ученые занимаются производством живых тканей для восстановления колена. Пациенты с артритом коленного сустава, вызванным изнашиванием суставного хряща, в лучшем случае могут надеяться на артропластику, которая подразумевает установку искусственного коленного сустава. Это болезненная операция, которая далеко не всегда бывает первой и последней. Теперь благодаря технологии 3D-биопечати хирурги могут распечатать на принтере кусочки живой ткани и имплантировать их в коленный сустав пациента, заменив поврежденную хрящевую ткань. Объем мирового рынка протезирования коленного сустава составлял 6,9 миллиардов долларов в 2010 году. В результате демографического старения населения он достигнет 11 миллиардов к 2017 году. Исследователи технологии 3D-биопечати в Университете Суонси занимаются созданием простых живых тканей, которые потом можно будет использовать в реконструктивной хирургии. «В первую очередь наше исследование направлено на возможности применения данной технологии в ходе изготовления биологических структур, которые смогут заменить поврежденную или изношенную хрящевую ткань коленного сустава», – говорит Даниель.

Как и в случае с традиционными технологиями 3D-печати, для проведения данного исследования требуются полностью цифровые машины, которые способны более эффективно внедрять сложные биологические жидкости. «3D-биопечать – это автоматизированный послойный процесс осаждения, который используется при изготовлении трехмерных живых полностью функционирующих макротканей, – объясняет Даниель. – Данный процесс должен полностью контролироваться компьютером, потому что только машина сможет точно и аккуратно ввести биологически активный гель, который является модельным материалом при 3D-биопечати. Кроме того, только машина сможет рассчитать свойства клеток к самоорганизации и произвести функционирующую ткань, обладающую всеми биологическими, механическими и метаболическими свойствами».

Процесс 3D-биопечати начинается с впрыска биологически активного геля, в котором содержится от 2 до 20 миллионов хрящевых клетов на 1 миллилитр, а также альгинат, гиалуроновая кислота, фактор роста β1, антибиотики и желатин. В ходе работы используется управляющая программа с приложением Pronterface, которая управляет шаговыми двигателями на каждой оси и размещает печатную головку в xyz координатах. В результате принтеру удается добиться ±5 мкм степени точности, как и в случае применения традиционной 3D-печатной системы. Во время построения ткани, скорость печати может изменяться в зависимости от условий. Это позволяет следить за разрешением слоев.

Будущую ткань помещают в биореактор при температуре 37.8°C, и каждые два дня меняют фактор роста. Клетки начинают расти и превращаются в матрикс. На это уходит около трех недель. В биологический гель обязательно добавляют 0,1% гиалуроновой кислоты, чтобы снизить потерю протеогликанов во время созревания ткани. Как объясняет Даниель, «Дело в том, что протеогликаны являются важной составляющей внеклеточного матрикса. Этот материал заполняет пространство между клетками и осуществляет структурную и биохимическую поддержку окружающей ткани. Без него ткань формируется неправильно».

Путем изменения скорости печати можно изменять разрешение слоя. Также при изготовлении 3D-печатных тканей используются дополнительные методы с применением различных биоматериалов. В качестве поддерживающего материала используются разные гидрогелевые материалы, в том числе фибрин, поли (лактид-ко-гликолид) с пористой структурой, агароза и альгинат. Этот материал должен заменить сеть сосудов. Единственное, что нужно понять исследователям, это внутреннюю взаимосвязь между 3D-печатной клеточной структурой и поддерживающим материалом. Чтобы обойти эти ограничения, они разрабатывают новые методы точного осаждения клеток и поддерживающего материала между ними.

В будущем перед исследователями лежит задача превратить биопечать в технологию, которую можно будет использовать для производства самых разных тканей, необходимых в ходе операций или для испытания лекарственных препаратов. Вероятно, у нас появится возможность использовать несколько типов клеток одновременно, в том числе стромальные стволовые клетки, кардиомиоциты, клетки-предшественники, остеобласты и остеоциты, и производить сложные ткани. Даниель объясняет: «Для производства сложных тканей можно использовать разные клеточные материалы. В этом случае мы сможем восстанавливать поврежденную структуру тканей желудка и молочной железы. Сейчас мы занимаемся исследованием процесса создания элементов уха, а именно завитка ушной раковины, который формирует структуру уха». Дальнейшие открытия в этой области могут привести к тому, что живые ткани будут печататься прямо в теле пациента. Это означает, что у создания живой ткани в клинических условиях прямо в теле человека есть все шансы произвести революцию в мире медицины.

Статья подготовлена для 3dtoday.ru