Команда исследователей из Университета Карнеги-Меллона опубликовала в журнале Science статью, в которой подробно описывается новый метод, позволяющий любому человеку создавать трехмерные биопечати тканевые каркасы из коллагена, основного структурного белка в организме человека. Этот первый в своем роде метод приближает область тканевой инженерии на один шаг к возможности трехмерной печати полноразмерного сердца взрослого человека.
Метод, известный как обратимое встраивание суспендированных гидрогелей произвольной формы (FRESH), позволил исследователям преодолеть многие проблемы, связанные с существующими методами трехмерной биопечати, и достичь беспрецедентного разрешения и точности с использованием мягких и живых материалов.
Каждый из органов человеческого тела, например сердце, построен из специализированных клеток, которые удерживаются вместе биологическим каркасом, называемым внеклеточным матриксом (ЕСМ). Эта сеть белков ЕСМ обеспечивает структуру и биохимические сигналы, необходимые клеткам для выполнения своих нормальных функций. Однако до сих пор было невозможно восстановить эту сложную архитектуру ECM с использованием традиционных методов биотехнологии.
"Мы показали, что мы можем печатать части сердца из клеток и коллагена в части, которые действительно функционируют, например, в сердечном клапане или небольшом учащенном желудочке," говорит Адам Файнберг, профессор биомедицинской инженерии (BME) и материаловедения & инженерии в Карнеги-Меллон, лаборатория которого выполнила эту работу. "Используя данные МРТ человеческого сердца, мы смогли точно воспроизвести анатомическую структуру пациента и трехмерную биопечать коллагена и клеток сердца человека."
Более 4000 пациентов в США ждут пересадки сердца, в то время как миллионы других пациентов во всем мире нуждаются в сердце, но не имеют права на лист ожидания. Потребность в замене органов огромна, и необходимы новые подходы к созданию искусственных органов, способных восстанавливать, дополнять или заменять долговременную функцию органов. Файнберг, участник инициативы Carnegie Mellon’s Bioengineered Organs Initiative, работает над решением этих проблем с помощью нового поколения биоинженерных органов, которые более точно воспроизводят естественные структуры органов.
"Коллаген является чрезвычайно желательным биоматериалом для трехмерной печати, потому что он составляет буквально каждую ткань вашего тела," объясняет Эндрю Хадсон, доктор медицины и медицины.D. студент лаборатории Файнберга и соавтор статьи. "Однако что делает трехмерную печать такой сложной, так это то, что она начинается как жидкость, поэтому, если вы попытаетесь распечатать ее в воздухе, она просто образует лужу на вашей платформе сборки. Поэтому мы разработали технику, которая предотвращает его деформацию."
Метод биопечати FRESH 3-D, разработанный в лаборатории Файнберга, позволяет осаждать коллаген слой за слоем в поддерживающей ванне с гелем, давая коллагену возможность затвердеть на месте, прежде чем он будет удален из поддерживающей ванны. С FRESH поддерживающий гель можно легко растопить, нагревая гель от комнатной температуры до температуры тела после завершения печати. Таким образом, исследователи могут удалить поддерживающий гель, не повреждая печатную структуру, состоящую из коллагена или клеток.
Этот метод действительно интересен для области трехмерной биопечати, поскольку он позволяет печатать коллагеновые каркасы на крупных человеческих органах. И это не ограничивается коллагеном, так как широкий спектр других мягких гелей, включая фибрин, альгинат и гиалуроновую кислоту, может быть трехмерной биопечатью с использованием метода FRESH, обеспечивая надежную и адаптируемую платформу тканевой инженерии. Важно отметить, что исследователи также разработали проекты с открытым исходным кодом, так что почти любой, от медицинских лабораторий до школьных классов естественных наук, может создавать недорогие и высокопроизводительные трехмерные биопринтеры и иметь доступ к ним.
Заглядывая вперед, FRESH может найти применение во многих аспектах регенеративной медицины, от заживления ран до биоинженерии органов, но это всего лишь часть растущей области биотехнологии. "На самом деле мы говорим о конвергенции технологий," говорит Файнберг. "Не только то, что моя лаборатория занимается биопечатью, но и другие лаборатории и небольшие компании в области науки о стволовых клетках, машинного обучения и компьютерного моделирования, а также нового оборудования и программного обеспечения для трехмерной биопечати."
"Важно понимать, что предстоит еще много лет исследований," добавляет Файнберг, "но все еще должно быть воодушевление, что мы добиваемся реального прогресса в разработке функциональных человеческих тканей и органов, и эта статья – еще один шаг на этом пути."