Команда науковців з Університету Карнегі-Мелон опублікувала статтю у Science з описом нової технології, яка дозволяє біодрукування тривимірної клітинної основи із колагену — основного структурного білка в людському організмі. Цей інноваційний метод наближає сферу інженерії тканин ще на крок ближче до можливості надрукувати повноцінне людське серце.
Технологія, названа “реверсивним вбудовуванням підвісних гідрогелів у вільній формі” (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels, FRESH), дозволяє дослідникам подолати основні виклики, пов'язані з сучасними методами тривимірного біодрукування м’яких тканин, досягаючи при цьому безпрецедентної деталізації та надійності отриманих зразків.
Кожен орган у людському тілі, зокрема й серце, утворений зі спеціалізованих клітин, які утримуються разом за допомогою біологічного каркаса, що називається позаклітинним матриксом. Ця мережа позаклітинних білків відповідає за структуру та біохімічні сигнали, які потрібні клітинам, щоб нормально функціонувати. Досі, однак, не вдавалося відтворити цю складну клітинну архітектуру за допомогою традиційних методів біоінженерії.
“Ми показали, що насправді можливо друкувати фрагменти серця з клітин та колагену — наприклад, серцевий клапан або невеликий шлуночок, і ці фрагменти дійсно функціонують, — каже професор біомедичної інженерії та матеріалознавства в Університеті Карнеґі-Мелон Адам Файнберґ, у чиїй лабораторії провели це дослідження. — На основі даних МРТ ми змогли точно відтворити специфічні анатомічні структури серця пацієнта й здійснити тривимірний біодрук колагену та серцевих клітин”.
Понад 4 тисячі пацієнтів у Сполучених Штатах очікують на серце для пересадки, а у світі таких пацієнтів мільйони. Потреба в органах для пересадки величезна, тож біоінженерія штучних органів, здатних підтримувати, доповнювати і заміняти людські, є неймовірно актуальним завданням. Файнберґ працює над тим, щоби знайти рішення цих завдань з новим поколінням штучних органів, які точніше відтворюють природні анатомічні структури.
“Колаген є напрочуд бажаним біоматеріалом для 3D-друку, оскільки з нього складається майже кожна тканина у нашому тілі, — пояснює Ендрю Хадсон, співробітник лабораторії Файнберґа та перший співавтор статті. — Тривимірний друк з використанням колагену, однак, технічно є дуже складним. Річ у тім, що процес розпочинається із рідини, тож якщо ви захочете надрукувати біозразки на повітрі, вони просто перетворяться на калюжу. Тепер ми розробили методику, яка не дозволяє їм деформуватися”.
Завдяки методу 3D-друку FRESH, який розробили в лабораторії Файнберґа, колаген може відкладатися шар за шаром на спеціальній підтримуючій посудині з гелем, що дозволяє йому затверднути. Після нагрівання до кімнатної температури гель виплавляється із надрукованого зразка, не порушуючи його структури.
Метод FRESH є справді унікальним для біодрукування, оскільки завдяки йому можна отримати клітинні основи із колагену в масштабах цілих органів. Причому він не обмежений суто колагеном і може бути застосований й до інших біоматеріалів, зокрема фібрину, альгінатів та гіалуронової кислоти. Важливо, що дослідники опублікували опис FRESH на онлайн-платформі з відкритим доступом, так що будь-хто — від медичних лабораторій до шкільних учителів — може отримати до нього доступ.
FRESH можна застосовувати у багатьох сферах відновлювальної медицини — від загоєння ран до біоінженерії органів. Утім, це лише невелика частина масштабної сфери біоінженерії, яка стрімко зростає. “Ми говоримо про злиття технологій, — каже Файнберґ. — Наша лабораторія займається біодрукуванням, але є й інші лабораторії та компанії, які працюють у ділянках клітинної науки, машинного навчання, комп’ютерної симуляції, а також розробляють необхідні комп’ютерні програми й обладнання. Без цих об’єднаних зусиль прогрес був би неможливий”.
“Важливо зрозуміти, що перед нами є ще багато років досліджень, — додає науковець. — Але ми справді захоплені тим, що робимо справжній прогрес у напрямку інженерії функціональних людських тканин і органів, і ця стаття є лише одним кроком вздовж цієї стежки”.
ScienceDaily, 1/08/2019
Зреферував Є. Л.
07.08.2019