Цивилизация
Трехмерная биопечать проделала долгий путь, начиная с тех ранних дней, когда биоинженеры впервые заменили чернила живыми клетками. По данным 2012 года, на каждого донора было зарегистрировано более восьми пациентов в списке ожидания, очередь и сейчас еще продолжает выстраиваться на многие годы вперед. Возможность печати функционирующих органов смогла бы в корне изменить такую ситуацию и спасти жизни тысяч людей. Но достижима ли эта цель? Некоторые ученые все еще сомневаются, что биопечать сможет когда-нибудь создать реально функционирующие человеческие органы.
Конечно, исследователям еще предстоит преодолеть немало трудностей, но работы по всем направлениям усердно ведутся. Некоторые эксперты предсказывают, что «напечатанные» таким образом органы будут функционировать даже лучше, чем настоящие.
Последним прорывом в области трехмерной печати стало создание тканей, наполненных кровеносными сосудами.
Как напечатать сосуды
Стремительное развитие органной инженерии требует способности копировать человеческие ткани и создавать жизнеспособные органы, которые будут в состоянии существовать длительный период времени.
До настоящего времени биометрические методы применялись только к созданию тонких тканей, которые способны существовать совсем небольшой промежуток времени. Теперь же ученые смогли улучшить физиологические составляющие тканей с помощью метода 3D-биопечати васкуляризированных тканей (тканей, наполненных кровеносными сосудами). Толщина таких тканей превышает 1 см, а время их дальнейшего развития и функционирования составляет более шести недель. В частности, исследователи объединили паренхиму, стромы и эндотелий (клеточные структуры, выполняющие разные функции) в единую толстую ткань, создавая ее разными «чернилами», скомпонованными из человеческих мезенхимальных стволовых клеток (hMSCs) и человеческих неональных кожных фибробластеров (hNDFs). Данное исследование было опубликовано в журнале PNAS.
Для создания подобных тканей использовались напечатанные силиконовые формы, внутри которых размещались сетки сосудистых каналов, содержащие живые стволовые клетки. По итогам сложного формирования и поэтапного сбора структура мягких тканей изобиловала кровеносными сосудами.
Через входы и выходы на противоположных концах можно было постоянно снабжать ткани кровью и питательными веществами, что обеспечило такое продолжительное выживание клеток, их рост и стабильное функционирование.
Способность создавать васкуляризированные ткани обеспечит потенциальную возможность того, что они смогут намного эффективнее приживаться в организме человека благодаря хирургическим соединениям с кровеносной системой сосудов человека. По словам ученых, эти открытия позволят преодолеть многие проблемы, которые ранее сдерживали развитие тканевой инженерии.
Универсальная решетка
Не так давно ученые разработали метод 3D-печати для производства универсальных «строительных блоков» почти для любых тканей организма, тканевых структур и, возможно, даже микроорганизмов из эмбриональных стволовых клеток. Результаты этой работы ученых из Университета Цинхуа в Пекине и Университета Дрексел в Филадельфии были опубликованы в журнале Biofabrication.
Новый способ, предложенный исследователями, — это трехмерная печать структуры, напоминающей решетку. И хотя в этой структуре клетки не показывают такого же уровня универсальности и делятся не так равномерно, как естественные, — поскольку они начинают меняться под воздействием окружения,
они демонстрируют высокую степень самообновления и плюрипотентность на протяжении семи дней. Это означает, что такие клетки могут развиться практически в любую ткань нашего организма в зависимости от необходимости.
Для трехмерной печати такого типа используются эмбриоидные тельца — структуры, имитирующие предымплантационную стадию развития, они используются для изучения стволовых клеток in vitro (в пробирке). В будущем ученые, изменяя размер клеток и другие параметры печати, надеются создать более совершенные «строительные блоки», с помощью которых можно было бы залечивать раны и экспериментально тестировать лекарства.
Уши, мышцы и кости
Совсем недавно современные биопринтеры смогли распечатать кость, мышцы и даже ухо. Эти органы специалисты успешно имплантировали грызунам. С результатами работы можно ознакомиться в престижном научном журнале Nature Biotechnology.
В ходе исследования американские ученые напечатали на биопринтере уши, мускулы и кости и имплантировали их грызунам — мышам, кроликам и крысам. Результаты оказались многообещающими: например, через две недели после операции напечатанная на биопринтере мышца повлекла за собой образование нервов у крыс.
А костные имплантаты, которые были напечатаны с использованием человеческих стволовых клеток и имплантированы в организм грызунов, вызвали у последних формирование системы кровеносных сосудов, что было выявлено по истечении пяти месяцев.
В качестве «чернил» в биопринтерах, печатающих мускулы, хрящи и кости, американские ученые предлагают использовать синтетические полимеры — искусственно полученные материалы путем синтеза простых низкомолекулярных субстанций. По словам авторов исследования, синтетические полимеры будут обеспечивать «структурную и архитектурную целостность нового органа».