Ученые разработали новый метод печати на 3D-принтере кровеносных сосудов
Выращивание функциональных человеческих органов вне тела — это долгожданный «святой Грааль» медицины трансплантации органов, который остается неуловимым. Новое исследование Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета и Школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS) приближает этот поиск на один большой шаг к завершению.
Группа ученых создала новый метод 3D-печати сосудистых сетей, которые состоят из взаимосвязанных кровеносных сосудов, обладающих особой «оболочкой» из гладкомышечных клеток и эндотелиальных клеток, окружающих полое «ядро», через которое может течь жидкость, встроенное в сердечную ткань человека. Эта сосудистая архитектура точно имитирует архитектуру естественных кровеносных сосудов и представляет собой значительный прогресс на пути к возможности производства имплантируемых человеческих органов. Информация о достижении опубликована в журнале Advanced Materials.
«В предыдущей работе мы разработали новый метод 3D-биопечати, известный как «жертвенное письмо в функциональной ткани» (SWIFT), для создания полых каналов в живой клеточной матрице. Здесь, основываясь на этом методе, мы представляем коаксиальный SWIFT (co-SWIFT), который воспроизводит многослойную архитектуру, обнаруженную в нативных кровеносных сосудах, что упрощает формирование взаимосвязанного эндотелия и повышает его устойчивость к внутреннему давлению кровотока», — сказал первый автор исследования Пол Стэнки.
Ключевым новшеством, разработанным командой, стало уникальное сопло типа «ядро-оболочка» с двумя независимо управляемыми жидкостными каналами для «чернил», из которых состоят напечатанные сосуды: коллагеновые чернила оболочки и желатиновые чернила ядра. Внутренняя камера ядра сопла немного выступает за пределы камеры оболочки, так что сопло может полностью проколоть ранее напечатанный сосуд, чтобы создать взаимосвязанные разветвленные сети для достаточной оксигенации тканей и органов человека посредством перфузии. Размер сосудов можно изменять во время печати, изменяя либо скорость печати, либо скорость потока чернил.
Чтобы подтвердить работоспособность нового метода co-SWIFT, команда сначала напечатала свои многослойные сосуды в прозрачной гранулированной гидрогелевой матрице. Затем они напечатали сосуды в недавно созданной матрице под названием uPOROS, состоящей из пористого материала на основе коллагена, который воспроизводит плотную волокнистую структуру живой мышечной ткани. Им удалось успешно напечатать разветвленные сосудистые сети в обеих этих бесклеточных матрицах. После того, как эти биомиметические сосуды были напечатаны, матрица была нагрета, что привело к сшивке коллагена в матрице и чернилах оболочки, а чернила жертвенного желатинового ядра расплавились, что позволило легко удалить их и получить открытую, проницаемую сосудистую сеть.
Переходя к еще более биологически значимым материалам, команда повторила процесс печати, используя чернила оболочки, которые были наполнены гладкомышечными клетками (ГМК), которые составляют внешний слой кровеносных сосудов человека. После расплавления чернил желатинового ядра они затем перфузировали эндотелиальные клетки (ЭК), которые образуют внутренний слой кровеносных сосудов человека, в их сосудистую сеть. После семи дней перфузии как ГМК, так и ЭК были живы и функционировали как стенки сосудов — наблюдалось трехкратное снижение проницаемости сосудов по сравнению с теми, у кого не было ГМК.
Наконец, они были готовы протестировать свой метод внутри живой человеческой ткани. Они сконструировали сотни тысяч строительных блоков органов сердца (OBB) — крошечных сфер из бьющихся клеток человеческого сердца, которые спрессованы в плотную клеточную матрицу. Затем, используя co-SWIFT, они напечатали биомиметическую сеть сосудов на сердечной ткани. Наконец, они удалили чернила жертвенного ядра и засеяли внутреннюю поверхность своих сосудов, нагруженных SMC, EC посредством перфузии и оценили их работу.
Эти напечатанные биомиметические сосуды не только продемонстрировали характерную двухслойную структуру кровеносных сосудов человека, но и после пяти дней перфузии жидкостью, имитирующей кровь, сердечные OBB начали биться синхронно, что свидетельствует о здоровой и функциональной сердечной ткани. Ткани также отреагировали на обычные сердечные препараты — изопротеренол заставил их биться быстрее, а блеббистатин остановил их. Команда даже напечатала на 3D-принтере модель разветвленной сосудистой сети левой коронарной артерии реального пациента в OBB, продемонстрировав ее потенциал для персонализированной медицины.
«Нам удалось успешно напечатать на 3D-принтере модель сосудистой сети левой коронарной артерии на основе данных реального пациента, что демонстрирует потенциальную полезность co-SWIFT для создания специфичных для пациента васкуляризированных человеческих органов», — сказал Льюис, который также является профессором биологической инженерии имени Хансйорга Висса в SEAS.
В будущей работе команда Льюиса планирует создать самоорганизующиеся сети капилляров и интегрировать их с сетями кровеносных сосудов, напечатанными на 3D-принтере, чтобы более полно воспроизвести структуру кровеносных сосудов человека в микромасштабе и улучшить функции выращенных в лаборатории тканей.
«Сказать, что создание функциональных живых человеческих тканей в лабораторных условиях — это сложная задача, значит ничего не сказать. Я горжусь решимостью и креативностью, проявленными этой командой, доказавшей, что они действительно могут создавать лучшие кровеносные сосуды в живых, бьющихся человеческих сердечных тканях. Я с нетерпением жду их дальнейших успехов в их стремлении однажды имплантировать выращенную в лаборатории ткань пациентам», — сказал соавтор исследования Дональд Ингбер.