Дорогая, я напечатал ребенка!

Новая технология создает рабочие модели с небольшой помощью пищевых красителей из мира продуктового магазина

Эта печатная модель имитирует функциональное легкое с дыхательными путями, способными обеспечивать кислород эритроцитами. Предоставлено: Университетом Джордана Миллера Райса.

Каждый день в среднем 18 человек умирают в ожидании пересадки органов. Трудно найти донорские органы, поэтому многие ученые потратили последние два десятилетия, пытаясь создать новые печени, почки, сердца или легкие с нуля. Одним из потенциальных способов создания таких деликатных структур является 3-D печать с использованием биологически совместимых материалов или биопечать, которая, как сообщается, в настоящее время дает функциональные модели тканей легких и печени с небольшой помощью нетрадиционного ингредиента: пищевого красителя.

Потенциальные биопринтеры ранее были заблокированы сложностью определенных органов. Например, наши легкие и печень содержат физически и биохимически запутанные сети кровеносных сосудов и дыхательных путей (в легких) или желчных протоков (в печени). Возможность воссоздать эту сосудистую сеть – и заставить динамику жидкости работать так, чтобы кровь и другие жидкости текли правильно было большой проблемой.

Теперь команда исследователей из Университета Вашингтона и Университета Райса подтверждает, что создала функциональные модели тканей с использованием технологии трехмерной печати, называемой проекционной стереолитографией. Этот метод подвергает тонкие слои жидкой смолы воздействию синего света, который затвердевает в сложное расположение гидрогелей – гелей, состоящих из запутанных нитей полимерных молекул. Они образуют структурные «леса», в которые исследователи могут имплантировать живые клетки, которые позволяют ему выполнять работу легких или печени. В новом исследовании имплантированные клетки выжили, и полученные модели тканей органов продемонстрировали некоторые функции реальной вещи. Результаты были опубликованы на прошлой неделе в Science .

Это, безусловно, серьезный шаг вперед в нашей способности создавать трехмерные печатные структуры, которые приближаются к нормальным тканям

– говорит Энтони Атала, директор Института регенеративной медицины Уэйк Форест, который не участвовал в новом исследовании.

Основная технология проекционной стереолитографии существует с 1980-х годов, но «она не была разработана с учетом биологии; он использовался для изготовления пластиковых конструкций », – говорит Джордан Миллер, доцент кафедры биоинженерии в Университете Брауна. Техника может создавать более тонкие слои, чем стандартная 3-D печать, и также быстрее. «Вместо создания одного слоя в течение нескольких минут путем экструзии, мы можем сделать это в считанные секунды с помощью стереолитографии», – говорит Миллер. Эта скорость имеет решающее значение: поскольку печатная структура в конечном счете направляет кислород и питательные вещества в клетки, более быстрая работа означает, что в процессе ее изготовления умирает меньше клеток.

Но была проблема. Этот тип процесса печати основан на химикатах фотореактора (тех, которые реагируют на свет), так что некоторые предварительно запрограммированные области жидкости затвердевают, в то время как другие области остаются мягкими и впоследствии могут быть смыты. К сожалению, многие из этих химических веществ являются канцерогенными. Для 3-D принтера для создания тонкой сосудистой системы, необходимой органу для доставки питательных веществ и удаления отходов, ему нужна точность, обеспечиваемая стереолитографией; но для трансплантации потребовались бы безопасные водорастворимые фотореакторы.

Таким образом, исследователи должны были найти замену проверенным, но токсичным химикатам. Когда Миллер и его команда догадались, что пищевой краситель может добиться цели – они знали, что он будет поглощать правильные длины волн света, чтобы заставить работать процесс 3-D печати, и относительно биосовместимы – их нетерпение в ожидании поставки требуемого ингредиента росло в геометрической прогрессии. Миллер говорит: «Я пошел в супермаркет и купил набор пищевых красителей, которые люди используют для изготовления кондитерских изделий».

Это сработало. Сначала команда покрасила жидкие полимеры с пищевым красителем желтого цвета, и затем проектор принтера освещал их синим светом. Это вызвало локальную химическую реакцию, в результате которой жидкость приобрела необходимую плотность. Поскольку принтер излучал свет по заранее запрограммированному шаблону, он создал дизайн, который превратился в тонкую, но прочную биологическую структуру. «Мы кричали от радости, потому что это было потрясающе, как проста идея была; это сразу же позволило нам сделать эту значительно более сложную архитектуру», – говорит Миллер.

Желтый № 5, найденный во многих закусочных продуктах, имел еще одно преимущество: он легко смывался с биопечатной структуры, оставляя прозрачную основу, готовую питать любые клетки, которыми её наполнили ученые. Ожидается, что следы оставшегося красителя не повлияют на здоровье клеток. ( Исследования показывают, что желтый № 5 не влияет на количество сперматозоидов, как ходили слухи; однако он может усугубить существующие гиперактивные нарушения у детей.)

К тесту

Несмотря на то, что исследователи ранее делали биопечать тканей, они не смогли добиться сохранить достаточно долгой жизни клеток. Последнее исследование должно было проверить недавно напечатанный каркас, и эритроциты были простым способом начать.

Команда создала масштабную модель воздушного мешка, имитирующего важную часть сложной сосудистой сети легкого. Он включал один проход для воздуха и отдельные каналы для клеток крови. В здоровом человеческом легком эти две структуры обмениваются кислородом никогда не касаясь. Модель совершила тот же подвиг, поддерживая клетки крови живыми. Каркас также оказался достаточно прочным, чтобы сохранить свою структуру, во время моделируемого «дыхания», расширяющего и сжимающего отпечатанные ткани.

Далее исследователи проверили модель ткани печени. Часть процесса печати здесь включала введение специализированных печеночных клеток, называемых гепатоцитами, в печатную структуру. Команда имплантировала искусственные ткани печени живым мышам с хроническим повреждением печени, а также неповрежденным мышам, а затем проверила их. Полностью рабочая печень имеет более 500 функциональных, и в этом случае они исследовали только одну, и она выполнялась успешной – и гепатоциты выжили у живых мышей.

Новый метод печати также позволяет получить работающие внутрисосудистые клапаны, которые играют ключевую роль в сердце и венах. В ходе испытаний печатные версии сохранили свою структуру, поскольку жидкость протекала через них, и они препятствовали ее перемещению назад через клапаны.

Начинаем печатать органы

Сколько ещё осталось ждать повсеместной доступности биопечатных органов в списках на трансплантацию? Ученым еще многое предстоит выяснить, начиная с основ, таких как определение оптимального базового гидрогеля. Какой белок работает лучше всего? И должны ли добавки, такие как факторы роста, использоваться для ускорения процесса? «Теперь мы можем начать методично варьировать эти факторы, чтобы понять, какие из них более важны, и оценить их влияние на функции клеток», – говорит Келли Стивенс, доцент кафедры биоинженерии и патологии Университета Вашингтона. Тогда возникает вопрос о том, как лучше построить каркас и сколько печатного материала может реально заменить ткани. «Неожиданные технологический скачок позволяет нам впервые задавать подобные впервые», – говорит Стивенс.

Исследователи не хотят быть единственными, кто опробовал эти возможности – поэтому они сделали свою технологию открытой, что позволило другим биоинженерам протестировать свои собственные приложения. «Биопринтинг с открытым исходным кодом действительно помогает ускорить эту технологию и мы все стали продвигаться быстрее», – говорит Атала. Он планирует применить полученные данные к ряду структур тканей органов, над которыми работает его команда.

Другие потенциальные производители органов могут купить специализированные принтеры и чернила (Миллер и некоторые другие сотрудники основали стартап под названием Volumetric для продажи этих материалов) или могут сами воспроизвести эту работу. «Мы действительно взволнованы, – говорит он, – открывая новый набор дизайнерских свобод в биопечати».

Кажется, Вам понравился этот материал, раз Вы его дочитали до конца. Пожалуйста, поделитесь с нами своими мыслями об этом?

Comment

This post doesn't have any comment. Be the first one!

hide comments
Share
...
Back

Your cart

0

Корзина пуста.

Total
0.00$
Checkout
Empty

This is a unique website which will require a more modern browser to work!

Please upgrade today!