Биопринтер создал действующий кусок сердечной мышцы
В технологии печати людских органов наметился прорыв. Первые образцы напечатанных живых тканей и выстроенных из них пространственных структур, пока достаточно несложных, биологи уже изучают в лабораториях. в первых рядах ещё большое количество работы.
Но, по словам учёных, первые «товарные» ткани из принтера покажутся на рынке в самые ближайшие годы.
Пара лет назад было продемонстрировано, что печать биологических тканей — это не фантастика. Но от ранних опытов до массового применения таковой технологии в медицине пройдёт ещё несколько год. Простой наподобие принцип: наращивание клеточной ткани слой за слоем при помощи принтера, напоминающего по устройству простой.
Но тут основное — продумать все тонкости разработки, распознать её подводные камни.
Этим и занимаются доктор наук Габор Форгач (Gabor Forgacs) и его лаборатория Forgacslab в ходе проекта Organ Printing.
Форгач и его коллеги из университета Миссури (University of Missouri-Columbia) создали функциональные кусочки сердечной и кровеносные сосуды ткани при помощи собственного перспективного метода печати органов, о чём и написали статью в издании Tissue Engineering.
Конёк Габора Форгача — биофизика (фото с сайта organprint.missouri.edu).
Кстати, о первых успешных опытах Форгача и созданном им способе печати живых тканей мы кратко говорили. Говоря упрощённо, в опытах университета Миссури употребляется трёхмерный биопринтер (выстроенный по заказу учёных компанией nScrypt), заправляемый живыми «чернилами». Он по командам компьютера и выстраивает нужную «конструкцию» слой за слоем.
Нужно заявить, что существуют различные методы культивирования тканей для тех же целей (в качестве имплантата). В частности тканей сердца (вот лишь три примера таких изучений: 1, 2 и 3). Но во всех них для выращивания кроме того несложной сердечной заплатки нужно сперва создать «монтажный каркас», что задавал бы форму будущего органа либо трансплантата.
Преимущество нового способа в том, что такая база по большому счету не нужно — форму сосуда, кусочка печени либо сердечной мускулы задаёт сам принтер. А ведь любой «каркас» для клеток, попавший в организм в составе имплантата, это потенциальный инициатор воспаления, отмечает Габор.
Мы уже говорили, что экспериментатор ведёт печать не отдельными клетками (как пробуют другие учёные, трудящиеся на той же ниве), но конгломератами, насчитывающими десятки тысяч клеток. Как же получается, что они формируют нужную по структуре и составу ткань?
Вот подробности разработки.
Неспециализированная схема печати органа «по Форгачу». Пояснения — в тексте (иллюстрация Forgacs et al).
Сперва (смотрите рисунок) особое устройство нарезает заблаговременно культивированную ткань (не являющуюся, но, органом) либо, правильнее, плотную клеточную суспензию на микроскопические цилиндрики с соотношением длины и диаметра 1 : 1 (a). Потом цилиндрики эти скругляют в питательной среде, формируя микросферы – «биочернила». Одна их капля продемонстрирована на фото. Диаметр её образовывает 500 микрометров.
Оранжевый цвет ей придаёт особый краситель, введённый в мембраны клеток (b).
Картридж (c) принтера содержит микропипетки, заполняемые такими микросферами друг за другом. Трёхмерный принтер (d) может попеременно выдавать эти шарики (учёные кроме этого именуют их «сфероиды») с микронной точностью. Микропипетки и область работы печатающей головки исследователи смогут замечать в настоящем времени при помощи камер, встроенных в принтер (e).
Печатает прибор сходу тремя «цветами». Два из них — это сфероиды с целевыми клетками (в последних опытах Форгача это были клетки сердечной мускулы и эпителиальные клетки), а третий — скрепляющий гель, содержащий коллаген, фактор роста и ряд других веществ. Он нужен будущему органу, дабы сохранить собственную форму до того момента, в то время, когда целевые клетки срастутся между собой.
Принципиально важно, что печатается гель вместе с «запчастью», в виде последовательно наносимых двухмиллиметровых слоёв, в каковые и выясняются загружены микросферы с клетками различного типа (f).
Нанесённые вперемешку с гелем сфероиды (с тысячами клеток любой) неспешно объединяются в нужную ткань, гель же удаляется (иллюстрация organprint.missouri.edu).
«Мы ни при каких обстоятельствах не сможем всецело напечатать печень, со всеми её подробностями, — говорит Габор, — но этого и не нужно. Если вы сможете инициировать процесс, природа доделает всё за вас». Иными словами, способ Форгача предполагает не печать совсем готовых органов, ничем не отличающихся от тех, что трудятся в теле человека, а создание живых заготовок, к органам весьма родных.
Заготовок, доводку которых до ума возьмут на себя законы биологии развития.
Авторы опытов говорят, что происходящее в отпечатанном куске ткани аналогично процессам, идущим в эмбрионе на ранних стадиях развития органов. Специальные клетки, следуя внутренним «руководствам», объединяются как раз в ту совокупность, которую от них ожидают.
Как пишет Nature, при печати клетками эндотелия в смеси с клетками сердца несколько Форгача взяла кусочек работоспособной мускулы, в которой все клетки объединились в единую совокупность через 70 часов по окончании печати и начали синхронно уменьшаться через 90 часов. Наряду с этим клетки эндотелия планировали в некие трубочки, напоминающие капилляры.
Примеры напечатанных Габором биологических запчастей и «тканей»: (a) расположенные кольцом частицы «биочернил» (флуоресцирующие благодаря красителю двумя цветами) сразу после печати и через 60 часов; (b) эволюция трубки, собранной из колец, продемонстрированных на картине (a); (c, вверху) 12-слойная трубка, составленная из клеток ровных мышечных волокон пуповины; (c, внизу) разветвлённая трубка (прообраз сосудов для трансплантации); (d) построение уменьшающейся сердечной ткани.
Слева продемонстрирована решётка (6 х 6) из сфероидов с клетками сердечной мускулы (без эндотелия), распечатанных на коллагеновой «биобумаге». В случае если в те же «чернила» добавляются клетки эндотелия (второй рисунок — красный цвет, кардиомиоциты же тут продемонстрированы зелёным), они заполняют сперва пространство между сфероидами, а через 70 часов (d, справа) вся ткань делается единым целым. Внизу: график сокращения клеток взятой ткани. Как видно, амплитуда (отмерена по крути
Подобно учёные печатали и просто отдельные маленькие сосуды. В ходе «комплекта» их стенок коллагеновый гель (в противном случае — «биобумага») подавался не только на края, но и в середину сосуда. Уже по окончании соединения клеток в ткань сердцевина легко удалялась, оставляя проход для кровотока.
Таким методом команда Форгача уже может создавать ветвящиеся сосудики на заказ, любой желаемой формы.
на данный момент исследователи трудятся над методом наращивания мышц на таких трубках, дабы сделать их (напечатанные сосуды) достаточно прочными для сшивания с настоящими сосудами на протяжении операции.
Наряду с этим несколько трудится над очень тяжёлыми для изготовления сосудами, диаметром меньше 6 миллиметров. Дело в том, что для сосудов более больших в далеком прошлом существуют успешные синтетические заменители, используемые в качестве трансплантатов. А вот создать из обнажённой синтетики хорошие небольшие сосуды, и тем более – капилляры, пока не удаётся.
Потому их выращивание и было бы настоящим выходом.
Структура взятых учёными тканей сердца (фотографии Forgacs et al).
Форгач и его сотрудники создали компанию Organovo, кроме этого базирующуюся в Миссури, которая и займётся выводом и развитием технологии её на рынок. Причём сейчас они заявляют: в течение нескольких лет в продаже обязан показаться первый продукт компании. Это будут простые фрагменты тканей, предназначенные для токсикологических тестов (к примеру напечатанные кусочки людской печени).
Такие образцы имели возможность бы заменить лабораторных животных.
Чуть позднее должны показаться и напечатанные трансплантаты. Вначале это будут кровеносные сосуды.
Ну а дальше возможно будет понемногу подобраться и к печати более сложных органов на заказ. К примеру, говорят разработчики данной разработке, одними из первых таких «запчастей» они начнут печатать человеческие почки. Примечательно, что снаружи органы эти, возможно, и не будут смотреться как почки, информируют экспериментаторы, но трудиться в организме должны никак не хуже.
И пускай очередь органов, устроенных намного сложнее и трудящихся не столь легко, наступит позднее, первые предвестники этих рукотворных, но наряду с этим живых трансплантатов уже созданы. Так что работоспособность способа, хотя бы в его основе, можно считать доказанной.
