Британские ученые разработали универсальный метод 3D-печати сложных биологических структур с разными типами клеток(органоидов), который позволяет четко соблюдать их морфологию, механические и химические свойства. Это достигается за счет «подвешивания» образца во время печати в среде из микрометровых гелевых частиц. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Materials.

Органоиды, или искусственные органы из человеческих клеток служат моделями для разнообразных исследований. Во многих случаях их использование приводит к более достоверным результатам, чем эксперименты на животных. Как правило, при создании органоидов в качестве внеклеточного матрикса, поддерживающего клетки и придающую форму всей структуре (в живом организме он состоит из соединительной ткани), используют гидрогели, которым различными способами придают нужную структуру.

Томограмма напечатанной конструкции из геллана и гидроксиапатита. Samuel R. Moxon et al., Advanced Materials, 2017

Одним из таких способов служит 3D-печать, позволяющая с высокой точностью формировать сложные конструкции из клеток и гидрогеля. Ограничивает применение этого метода то, что гидрогель во время печати должен быть достаточно жидким, из-за чего основание органоида должно иметь значительно большую площадь, чем верхушка, чтобы он не растекся. Подобная конфигурация далеко не всегда соответствует потребностям исследователей.

Чтобы обойти это ограничение, сотрудники Университетов Хаддерсфилда и Бирмингема, а также Королевской ортопедической больницы предложили использовать в качестве поддерживающей среды гелевые частицы микрометрового диаметра. Такая среда не дает гелю с клетками опускаться на дно в процессе печати и сохраняет трехмерную конфигурацию органоида в процессе застывания. При этом, изменяя вязкость среды, можно регулировать разрешение печати. Гели с клетками вводятся с помощью инъекционной иглы. Для фабрикации органоидов можно использовать гидрогели с различными типами клеток. После застывания конструкции поддерживающую среду при необходимости удаляют.

Как показали эксперименты, для изготовления поддерживающих микрочастиц и гидрогеля для печати можно использовать различные материалы, такие как желатин, геллановая камедь, коллаген, гиалуроновую кислоту, агарозу и альгинат в любых сочетаниях. В качестве демонстрации возможностей технологии ученые напечатали в агарозной среде спиральную конструкцию из геллановой камеди с коллоидным гидроксиапатитом (последний нужен для анализа структуры конструкции с помощью компьютерной томографии, поскольку непрозрачен для рентгеновского излучения).

Принцип работы технологии, цилиндрический образец в поддерживающей среде, извлеченный из нее и его томограмма. Samuel R. Moxon et al., Advanced Materials, 2017

После этого исследователи перешли к экспериментам с живыми клетками. Их целью было подтвердить, что с помощью разработанной технологии можно создать сложную тканевую конструкцию из разных типов клеток и с неоднородной структурой. Для этого они использовали мыщелок бедренной кости с хрящом, удаленный у пациента в ходе протезирования коленного сустава. С помощью дрели в хряще и подлежащей кости проделали цилиндрический дефект, из удаленной ткани извлекли живые клетки. Затем на основе компьютерной томограммы образца построили 3D-модель дефекта. Ее использовали для послойной печати в агарозной поддерживающей среде «заплатки» из геллановой камеди, кристаллов гидроксиапатита и клеток (остеобластов и хондроцитов), точно повторяющей анизотропную структуру кости и хряща.

После четырех недель культивирования в питательной среде напечатанная ткань сохраняла структуру и клеточный состав, а также обладала удовлетворительными механическими свойствами. В хрящевой части образца наблюдался синтез коллагена II типа и аггрекана — маркеров формирования хряща. В направлении костной части соотношение коллагенов II и I типов постепенно изменялось, как и в естественных костно-хрящевых структурах.

Процесс создания костно-хрящевой «заплатки». Samuel R. Moxon et al., Advanced Materials, 2017

«Полученные результаты свидетельствуют, что разработанная нами методика создания трехмерных тканеподобных структур перспективна для использования в регенеративной медицине и исследованиях сложных тканевых структур», — пишут исследователи.

Для получения необходимой трехмерной структуры искусственных органов ученым приходится прибегать к разнообразным ухищрениям.Так, например, американские разработчики предложили использовать для этого машину для изготовления сладкой ваты, а исследователи из Тайваня создали универсальную платформу, которая превращает процесс создания сложных трехмерных гидрогелевых конструкций в аналог тетриса.

Недавно международный научный коллектив сообщил об успешном выращивании из стволовых клеток полноценной ткани кишечника, которая стала одной из самых сложных искусственных тканей на сегодняшний день.

Автор: Олег Лищук