Специалисты разработали новое устройство для 3D-биопечати. В него входит внесение биочернил с сердечными клетками в самовосстанавливающийся гель, выступающий каркасом. Прибор преодолел значительную трудность в тканевой инженерии, создав почти функциональные желудочки, способные работать автономно более трех месяцев.
Тканевая инженерия создает биологические структуры, востребованные в регенеративной медицине. Но до 3D-биопечати доступные технологии формировали лишь относительно простые структуры. Например, искусственные ткани сердца изготавливают путем заливки смеси белков внеклеточного матрикса (ECM), кардиомиоцитов и других сердечных клеток в основу.
Данный метод позволяет изготавливать структуры с простой геометрией: нити, кольца и сетки. Также были созданы шарообразные «желудочки» с помощью специальных форм или путем внедрения биочернил, содержащих клетки, в твердые каркасы, напечатанные на 3D-принтере.
Эти способы были ограничены возможностью создавать ткани с усложнённой многоклеточной структурой. Несмотря на то что современные технологии 3D-биопечати способны формировать куда более сложные структуры, им всё ещё предстоит преодолеть ряд трудностей.
Устранение ключевого недостатка трёхмерной биопечати.
В организме множество тканей и органов выполняют сложнейшие функции, полностью воспроизвести которые современным 3D-биопринтерским технологиям пока не удаётся. Сердечная ткань относится к таким структурам, поскольку её клетки обладают автономной способностью сокращаться. В сердце эти клетки работают синхронно, следуя точному ритму, чтобы обеспечивать кровоснабжение всего организма.
Сократимость должна ритмично распределяться по сети полостей (желудочков и предсердий) через ионные каналы, регулирующие гомеостаз кальция, калия и др. Воспроизведение в лаборатории такого строения ткани, способной автономно активироваться в пределах всего органа, является одной из самых сложных задач 3D-биопечати.
Новейшие методы позволили создать миниатюрные органы с полостями и сосудами из кардиомиоцитов, полученных из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток (hiPSC-CM).
Кардиомиоциты встраиваются в матрицу, изготовленную из сальника, и печатаются непосредственно. Несмотря на высокое структурное качество, установить электрическую активность или сократимость не удалось.
Ранние исследования позволили получить электрическую активность с помощью биочернил для создания мягких гидрогелей. Полученная структура состояла из взаимосвязанных сетей сердечных клеток, способных к спонтанному сокращению, но геометрическая сложность была ограниченной.
Новое исследование, опубликованное в виде предварительного доклада, … Предлагается преодолеть некоторые проблемы разработки технологии прямой печати hiPSC-CM. Цель состоит в создании функциональной конструкции сердечной ткани. Устройство, разработанное исследователями из Эрлангенского университета имени Фридриха-Александра в Нюрнберге, позволяет получать структуры от простых колец до миниатюрных желудочков, которые сокращаются спонтанно более 100 дней подряд. Силу сокращения можно регулировать с помощью фармакологических стимулов.
Процесс печати гелем
Разработчики создали протокол, включающий предварительный гелевый раствор коллагена, который можно напечатать в ванне из второго геля, выступающего опорой. Коллаген, как один из самых распространенных белков в сердце, хорошо подходит для создания сердечной ткани. Однако печать коллагеновых гидрогелей после застывания сложна.
В процессе печати «в геле» преодолевают это препятствие, используя опорную ванну в качестве стабилизатора. Эта техника позволяет гидрогелю (биочернилам) сохранять жидкую форму достаточно долго, чтобы печатающее сопло прошло через ванну поддержки.
Чтобы печатать hiPSC-CMs сложной формы, учёные создали поддерживающую ванну из микрочастиц желатина и гуммиарабика. При центрифугировании эти микрочастицы спрессовываются и образуют самовосстанавливающуюся опору. Эта опора пропускает печатную насадку без повреждений и стабилизирует всю конструкцию. Биочернила – смесь гелированного коллагена и гиалуроновой кислоты с клетками – вводятся внутрь опоры для печати нужной формы. После завершения печати гель-поддержка растворяется, оставив только конечную структуру.
Благодаря этому протоколу ученым удалось получить сферическую структуру, способную самостоятельно сокращаться. Высота искусственного желудочка равна 14 миллилитрам, а диаметр основания — около 8 миллиметров. Для сравнения, желудочки среднего человеческого сердца в шесть раз большего размера.
В скором времени исследователи стремятся применить этот протокол к полноценному сердцу с двумя желудочками и двумя сокращающимися предсердиями. Однако эта задача ставит перед учёными дополнительные трудности: миокард содержит множество кровеносных сосудов (не считая коронарных) и нервов, поэтому для создания функционального органа понадобятся другие типы биочернил. Вновь потребуется изучить взаимодействие различных тканей.