Американские ученые напечатали на 3D-принтере сердечную мышцу со встроенными датчиками сокращений. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Materials.

В последнее время на смену лабораторным животным и клеточным культурам в биомедицинских исследованиях приходят искусственные органы из живых клеток (микрофизиологические системы, «органы-на-чипе»). Как правило, их создание представляет собой многостадийный литографический процесс. Кроме того, в таких системах обычно нет встроенных датчиков, и наблюдать за их работой приходится с помощью внешнего оптического оборудования.

Johan U. Lind et al., Nature Materials, 2016

Чтобы избавить искусственный орган от этих недостатков, сотрудники Гарвардского университета прибегли к 3D-печати, разработав для этого шесть типов функциональных полимерных чернил. Все они сильно разбавлены,что позволяет печатать гибкие слои толщиной от 0,5 до 6,5 микрометра.

Первым слоем системы стала декстрановая пленка толщиной в 0,5 микрометра, которая служила временной растворимой подложкой для следующих слоев. Затем из термопластического полиуретана (ТПУ) ученые напечатали консоли, поддерживающие ткань. В толще этих консолей расположены эластические пьезорезистивные датчики растяжения из ТПУ с углеродными наночастицами.

На следующем этапе ученые напечатали на поверхности консолей микрофиламенты из концентрированного вязко эластичного полидиметилсилоксана, служащие поддержкой и направляющими для роста сердечной мышечной ткани. Выступающие концы датчиков увенчали электродамис контактами из полиамида с частицами серебра. В качестве материала для изоляции электродов и восьми изолированных гибких емкостей для биологической ткани использовали полидиметилсилоксан, полилактид или акрилонитрилбутадиенстирол. Как пишут ученые, последние два материала предпочтительны для испытаний лекарств,поскольку меньше абсорбируют жирорастворимые препараты.

Принцип работы и процесс изготовления системы. Johan U. Lind et al., Nature Materials, 2016

После этого емкости устройства заполняли миоцитами (мышечными клетками) желудочков сердца новорожденных крыс или кардиомиоцитами из человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток и помещали всю конструкцию в инкубатор с питательной средой. Благодаря филаментам с различными промежутками между ними клетки сформировали сокращающуюся ламинарную ткань, близкую по своим характеристикам реальной сердечной мышце.

В ходе экспериментов датчики успешно регистрировали интенсивность спонтанных сокращений мышечной ткани и влияние на них лекарственных препаратов (блокатора кальциевых L-каналов верапамила, уменьшающего силу и частоту сокращений, и стимулятора адреналиновых бета-рецепторов изопротеренола, увеличивающего их). Объем и зрелость мышцы из человеческих клеток стабильно повышались на протяжении 28 дней наблюдения. Система позволяет выращивать слой ткани толщиной в четыре клетки, что соответствует отдельным слоям реальной сердечной мышцы млекопитающих.

Предложенное устройство системы позволяет печатать искусственную сердечную мышцу в автоматическом режиме и без особых усилий изменять конфигурацию для конкретных задач, при этом встроенные датчики упрощают регистрацию сокращений и не требуют большого хранилища данных при долгосрочных исследованиях, как внешние оптические сенсоры, пишут ученые.

Методики создания искусственных органов постоянно совершенствуются. Ученые разрабатывают новые материалы для их печати, используют для их создания микрожидкостные устройства и литографию. В тканевой инженерии нашлось применение даже машине для приготовления сладкой ваты. Наработанные технологии используют для печати различных жизнеспособных органов, в том числе функционирующих яичников (правда, пока мышиных), а также для создания и хранения моделей человеческих опухолей. О том, как устроен российский микробиореактор «Гомункулус» для испытаний лекарств, можно почитать в нашем материале.

Автор: Олег Лищук