Новый метод биопринтинга, разработанный учеными Института биологической инженерии Висса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) Гарвардского университета (Harvard University) и Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (Harvard School of Engineering and Applied Sciences), позволяет создавать сложные трехмерные тканевые конструкции из нескольких типов клеток с мельчайшими кровеносными сосудами.

Эта работа представляет собой важный шаг к давней цели тканевых инженеров – созданию конструкций из человеческих тканей, достаточно реалистичных, чтобы проверять на них безопасность и эффективность лекарственных препаратов.

Кроме того, разработка этого метода – первый, но важный шаг к созданию полнофункциональных структур, которые хирурги смогут использовать для замены или восстановления поврежденных или больных тканей. С помощью системы компьютеризированного проектирования, основываясь на данных компьютерной томографии, такие трехмерные структуры можно будет создавать простым нажатием кнопки 3D-принтера.

«Это фундаментальный шаг к созданию трехмерных живых тканей», – говорит руководитель исследования Дженнифер Льюис (Jennifer Lewis), PhD. Вместе с ведущим автором Дэвидом Колески (David Kolesky) ее группа опубликовала свои результаты в журнале Advanced Materials.

В новом методе 3D печати, разработанном Дженнифер Льюис и ее группой, используются несколько печатающих
головок и специальные чернила. (Фото: Wyss Institute and Harvard School of Engineering and Applied Sciences)

Тканевые инженеры уже многие годы пытаются создать васкуляризированные человеческие ткани, достаточно надежные, чтобы служить заменой поврежденным тканям живого организма. Человеческие ткани печатались и раньше, но их образцы имеют толщину не более трети десятицентовой монетки. В конструкциях большей толщины находящиеся в глубине ткани клетки страдают от недостатка питательных веществ и кислорода и лишены возможности удалять оксид углерода и другие токсичные продукты метаболизма. Они задыхаются и умирают.

Природа решает эту проблему, обеспечивая ткани сетью мельчайших тонкостенных кровеносных сосудов, питающих клетки и удаляющих отходы, и Колески и Льюис решили имитировать это ее важнейшее изобретение.

3D-печать прекрасно справляется с созданием тонко детализированных трехмерных структур, как правило, из инертных материалов, таких как пластмассы или металлы. Доктор Льюис и ее группа – пионеры в разработке широкого спектра новых чернил, затвердевающих в материалы с полезными электрическими и механическими свойствами. Такие чернила позволяют 3D-печати перейти от воспроизведения формы к воспроизведению присущей этой форме функции.

В человеческом организме сеть мелких кровеносных сосудов питает ткань и удаляет отходы. Дженнифер Льюис и ее коллеги
разработали метод печати 3D тканевых конструкций, позволяющий создать единую структуру из нескольких типов клеток, «склеенных» в ткань
внеклеточным матриксом, со встроенной в нее сосудистой сетью. (Фото: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard University)

Чтобы напечатать трехмерные тканевые конструкции с заданной структурой, исследователям были нужны функциональные чернила с полезными биологическими свойствами, и они разработали несколько биочернил, содержащих ключевые ингредиенты живых тканей. Одни чернила содержали внеклеточный матрикс – биологический материал, связывающий клетки в ткань. Вторые чернила содержали как внеклеточный матрикс, так и живые клетки. Чтобы создать кровеносные сосуды, исследователи разработали третьи чернила с необычным свойством: они плавятся при охлаждении, а не при нагревании. Напечатав сеть из нитей, расплавив их путем охлаждения материала и удалив образовавшуюся жидкость, они получили сеть полых трубок, имитирующих сосуды.

Чтобы оценить возможности и универсальность своего метода, ученые напечатали трехмерные тканевые конструкции с различной архитектурой. Кульминацией была конструкция со сложной структурой, содержащая кровеносные сосуды и три различных типа клеток. По сложности такая структура приближается к солидным тканям высших организмов.

Более того, введенные в сосудистую сеть человеческие эндотелиальные клетки образовали выстилку кровеносных сосудов. То, чего добились Льюис и ее коллеги – возможности поддерживать жизнь и рост клеток в такой тканевой конструкции, – важный шаг к печати человеческих тканей.

«В идеале, мы хотим, чтобы максимум работы делала сама биология», – комментирует доктор Льюис.

В настоящее время Льюис и ее группа занимаются созданием функциональных 3D тканей, пригодных для скрининга лекарственных препаратов, но, работая с печатными тканевыми конструкциями, ученые уже сейчас могут пролить свет на фундаментальные процессы, протекающие в живых тканях со сложной архитектурой, – на заживление ран, рост кровеносных сосудов, развитие опухолей, взаимодействие стволовых клеток с их нишами.

«Тканевые инженеры давно ждут появления такого метода», – говорит Дон Ингбер (Don Ingber), MD, директор-основатель Института Висса. «Возможность формировать функциональные сосудистые сети в 3D-тканях до их имплантации не только позволяет создавать ткани большей толщины, но и открывает перспективу хирургического подключения этих сетей к естественной васкулатуре, что, обеспечивая немедленную перфузию имплантированной ткани, значительно повысит ее приживление и выживаемость».

Оригинальная статья

3D Bioprinting of Vascularized, Heterogeneous Cell-Laden Tissue Constructs