Команда специалистов из разных облаг науки создала и напечатала на 3D-принтере модель пениса из гидрогеля, содержащего пещеристые тела, способную к эрекции, подобно реальному органу. Также им удалось имплантировать модифицированные протезы свиньям и кроликам, что позволило полностью восстановить их эректильную функцию. Благодаря этому животные смогли зачать потомство, а самки – выносить и родить детенышей.
Согласно статистическим данным, эректильная дисфункция затрагивает 40% мужчин в возрасте от 40 лет и старше, однако наше понимание этой проблемы остается неполным. Исследования, проводимые учеными, в основном базировались на анализе реальных органов и живых людей. Это создавало трудности при изучении взаимодействия кровотока и тканей, происходящего во время эрекции.
Благодаря прогрессу в области 3D-печати, исследования получили дальнейшее развитие — ученые приступили к изучению и созданию протезов тканей. Современные технологии и материалы позволяют с высокой точностью воспроизводить сложные структуры, состоящие из пористых тел и сосудов, которые обеспечивают эректильную функцию половых органов.
Китайские, японские и американские ученые разработали модель пениса, используя 3D-печатный гидрогель, который содержит основные кровеносные сосуды для воспроизведения его нормальной работы. Для проверки эффективности разработки, исследователи имплантировали ее кроликам и свиньям, имеющим деформации пениса, и зафиксировали восстановление способности к спариванию и воспроизводству. Животные, которым была сделана имплантация, смогли родить здоровое потомство. О результатах этой работы опубликовано в научной статье опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.
Кровеносные сосуды выполняют не только функцию доставки кислорода, питательных веществ и удаления отходов по всему организму, но и участвуют в эрекции – увеличении объема тканей благодаря притоку крови. Во время эрекции пещеристые тела половых органов наполняются кровью, сдавливая расположенные рядом вены. Это препятствует оттоку крови, позволяя органу увеличиться в размере и приобрести упругость. Повреждение сложной системы сосудов может вызвать эректильную дисфункцию (трудности с полным набуханием) и болезнь Пейрони, искривление и деформацию пениса.
Разработанная учеными детализированная модель пениса охватывала головку, губчатое тело с уретральными структурами и имплантируемую модель пещеристого тела. Благодаря биомиметической модели пещеристого тела исследователи получили возможность визуально оценить взаимодействие различных структур и жидкостей в процессе нормальной и ненормальной эрекции.
Затем исследователи оценили возможность функционирования прототипа с использованием человеческих биологических компонентов. Для этого были применены культуры клеток гладких мышц аорты и эндотелиальные клетки пупочной вены, которые формируют внутреннюю поверхность кровеносных сосудов, и поместили их в созданную на принтере гидрогелевую модель пениса. После этого модельный орган поместили в специальную среду, где клетки смогли развиться и покрыть всю его внутреннюю поверхность. Клетки выросли здоровыми, небольшую часть гидрогеля с выросшими в лаборатории клетками имплантировали крысам. Заживление места операции прошло успешно, через месяц после операции крысы чувствовали себя нормально.
В ходе исследований было проанализировано восстановление поврежденных тканей пениса у кроликов и свиней. Протокол подготовки остался неизменным: ученые создали модель, напечатали орган из гидрогеля, а затем заселили его внутренней поверхностью клетками, выстилающими сосуды. При этом для создания модели использовали культуры клеток кроликов и свиней.
Модельный пенис был имплантирован животным, у которых из-за незначительного дефекта пещеристого тела была нарушена эректильная функция. В течение нескольких недель после имплантации у животных восстановилась нормальная эректильная функция, изменения оказались статистически значимы относительно контрольных групп с дефектами пещеристых тел, которым имплантацию не проводили.
Органы, подвергшиеся хирургическому вмешательству, реагировали как на электростимуляцию, так и на спонтанную активность. Как кролики, так и свиньи успешно размножались, демонстрируя способность к воспроизводству.
Этот результат показывает реальную возможность для лечения повреждений тканей пениса и даже для реализации его трансплантации. Процесс забора клеток донора и выращивания их большого количества во многом хорошо отработан. Не требуется выращивать целый орган, достаточно покрыть биосовместимую гидрогелевую структуру одним типом клеток. Возможно построить модель тканей конкретного органа в 3D и напечатать орган с нужными конкретному пациенту размерами.
Ученые полагают, что полученные данные помогут продвинуть практику создания трехмерно напечатанных функциональных органов с кровеносными сосудами. Эта же исследовательская группа уже показывала успехи в лечении повреждения внешней белочной оболочки свиного пениса. Ученые признали, что регенерация и восстановление при значительных повреждениях пениса все еще на стадии разработки, но они активно работают в этом направлении.