Новое нововведение позволяет ученым создавать изящно переплетенные сосудистые сети, имитирующие естественные пути тела для крови, воздуха, лимфы и других жизненно важных жидкостей.
Исследование размещено на обложке журнала Science на этой неделе. Он включает в себя визуально ошеломляющее доказательство принципа действия – гидрогелевую модель воздушного мешка, имитирующего легкие, в котором дыхательные пути доставляют кислород к окружающим кровеносным сосудам.
Сообщается также об экспериментах по имплантации биопеченочных конструкций, содержащих клетки печени, мышам.
Работой руководили биоинженеры Джордан Миллер из Университета Райса и Келли Стивенс из Университета Вашингтона (UW) и включали 15 сотрудников из Райса, UW, Университета Дьюка, Университета Роуэн и Nervous System, дизайнерской фирмы из Сомервилля, Массачусетс.
«Одним из самых больших препятствий на пути к созданию функциональных заменителей тканей была наша неспособность напечатать сложную сосудистую сеть, которая может поставлять питательные вещества в густонаселенные ткани», – сказал Миллер, доцент кафедры биоинженерии в инженерной школе Райса Брауна. «Кроме того, наши органы фактически содержат независимые сосудистые сети, такие как дыхательные пути и кровеносные сосуды легких или желчные протоки и кровеносные сосуды в печени. Эти взаимопроникающие сети физически и биохимически запутаны, а сама архитектура тесно связана с функцией ткани. Наша первая технология биопечати решает проблему мультиваскуляризации прямым и всесторонним образом."
Стивенс, доцент кафедры биоинженерии инженерного колледжа UW, доцент кафедры патологии Медицинской школы UW и исследователь Медицинского института стволовых клеток и регенеративной медицины UW, сказал, что мультиваскуляризация важна, потому что форма и функция часто идут рука об руку. в руке.
«Тканевая инженерия боролась с этим на протяжении целого поколения», – сказал Стивенс. «С помощью этой работы мы теперь можем лучше спросить:« Если мы сможем печатать ткани, которые выглядят и теперь даже дышать больше, как здоровые ткани нашего тела, будут ли они тогда функционально вести себя больше, как эти ткани »??Это важный вопрос, потому что то, насколько хорошо биопринтные ткани будут влиять на то, насколько успешными они будут в качестве терапии."
Цель биопечати здоровых функциональных органов обусловлена необходимостью трансплантации органов. Только в Соединенных Штатах более 100000 человек находятся в списках ожидания на трансплантацию, и тем, кто в конечном итоге получит донорские органы, все еще придется пожизненно принимать иммунодепрессанты для предотвращения отторжения органов.
Биопечать вызывает большой интерес в последнее десятилетие, потому что теоретически может решить обе проблемы, позволяя врачам печатать замещающие органы из собственных клеток пациента. Готовый запас функциональных органов однажды можно будет использовать для лечения миллионов пациентов по всему миру.
«Мы предполагаем, что биопечать станет основным компонентом медицины в ближайшие два десятилетия», – сказал Миллер.
«Печень особенно интересна, потому что она выполняет 500 ошеломляющих функций, вероятно, уступая только мозгу», – сказал Стивенс. "Сложность печени означает, что в настоящее время нет аппарата или терапии, которые могли бы заменить все ее функции, когда она выходит из строя. Человеческие органы с биопечатью когда-нибудь могут стать источником этой терапии."
Чтобы решить эту проблему, команда создала новую технологию биопечати с открытым исходным кодом, получившую название «стереолитографический аппарат для тканевой инженерии» или SLATE.
В системе используется аддитивное производство для изготовления мягких гидрогелей по одному слою за раз.
Слои печатаются из жидкого раствора предварительного гидрогеля, который становится твердым при воздействии синего света. Проектор с цифровой обработкой света излучает свет снизу, отображая последовательные 2D-срезы структуры с высоким разрешением с размерами пикселей от 10 до 50 микрон.
Когда каждый слой по очереди затвердевает, верхний рычаг поднимает растущий 3D-гель ровно настолько, чтобы подвергнуть жидкость следующему изображению с проектора. Ключевым открытием Миллера и Баграта Григорянов, аспиранта Райса и ведущего соавтора исследования, стало добавление пищевых красителей, поглощающих синий свет.
Эти фотопоглотители ограничивают затвердевание очень тонким слоем. Таким образом, система может производить мягкие биосовместимые гели на водной основе со сложной внутренней архитектурой за считанные минуты.
Испытания структуры, имитирующей легкие, показали, что ткани были достаточно прочными, чтобы избежать разрыва во время кровотока и пульсирующего «дыхания», ритмичного поступления и оттока воздуха, имитирующего давление и частоту дыхания человека. Тесты показали, что красные кровяные тельца могут поглощать кислород, когда они проходят через сеть кровеносных сосудов, окружающих «дыхательный» воздушный мешок.
Это движение кислорода похоже на газообмен, который происходит в альвеолярных мешочках легких.
Чтобы разработать наиболее сложную структуру исследования, имитирующую легкие, которая представлена на обложке журнала Science, Миллер сотрудничал с соавторами исследования Джессикой Розенкранц и Джесси Луи-Розенберг, соучредителями Nervous System.
«Когда мы основали Nervous System, мы преследовали цель адаптировать природные алгоритмы к новым способам разработки продуктов», – сказал Розенкранц. "Мы никогда не думали, что у нас будет возможность вернуть это и создать живые ткани."
В ходе испытаний терапевтических имплантатов при заболеваниях печени команда 3D-печати напечатала ткани, загрузила в них первичные клетки печени и имплантировала их мышам. Ткани имели отдельные отсеки для кровеносных сосудов и клеток печени и были имплантированы мышам с хроническим повреждением печени.
Тесты показали, что клетки печени выжили после имплантации.
Миллер сказал, что новая система биопечати может также создавать внутрисосудистые элементы, такие как двустворчатые клапаны, которые позволяют жидкости течь только в одном направлении. У людей внутрисосудистые клапаны находятся в сердце, венах ног и дополнительных сетях, таких как лимфатическая система, которые не имеют насоса для управления потоком.
«С добавлением мультиваскулярной и внутрисосудистой структуры мы предоставляем обширный набор возможностей для проектирования живых тканей», – сказал Миллер. "Теперь у нас есть возможность строить многие из сложных структур нашего тела."
Миллер и Григорян коммерциализируют ключевые аспекты исследования через стартап-компанию Volumetric из Хьюстона. Компания, к которой Григорян присоединился на постоянной основе, занимается проектированием и производством биопринтеров и биочерок.
Миллер, давний поборник 3D-печати с открытым исходным кодом, сказал, что все исходные данные экспериментов в опубликованном исследовании Science находятся в свободном доступе. Кроме того, доступны все файлы для 3D-печати, необходимые для создания устройства для стереолитографической печати, а также файлы дизайна для печати каждого из гидрогелей, использованных в исследовании.
«Предоставление доступа к файлам дизайна гидрогеля позволит другим изучить наши усилия здесь, даже если они будут использовать некоторые будущие технологии 3D-печати, которых сегодня не существует», – сказал Миллер.
Миллер сказал, что его лаборатория уже использует новые методы дизайна и биопечати для исследования еще более сложных структур.
«Мы только находимся в начале нашего исследования архитектур человеческого тела», – сказал он. "Нам еще предстоит многому научиться."
Дополнительные соавторы исследования: Саманта Полсен, Дэниел Сазер, Александр Заита, Пол Гринфилд, Николас Калафат и Андерсон Та; Дэниел Корбетт из UW, Челси Фортин и Фредрик Йоханссон; Джон Гунли и Аманда Рэндлс из герцога; и Питер Гали из Роуэна.
Работа была поддержана Робертом Дж. Клеберг младший. и Хелен С. Фонд Клеберга, Фонд Джона Х. Фонд Титце, Национальный научный фонд (1728239, 1450681 и 1250104), Национальные институты здравоохранения (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 и DP5OD019876) и Консорциумы побережья Мексиканского залива.
ВИДЕО доступно по адресу:
https: // youtu.be / GqJYMgAcc0Q