Тканевая биоинженерия с использованием 3D-технологий развивается настолько динамично, что мы не успеваем поверить в реальность происходящего. Трудно осознать и ценность и перспективность очередной разработки. Вот еще одна научная и практически сенсационная история: в начале июня международная группа ученых опубликовала в «Science Advances» результаты нового исследования, в ходе которого они смогли неинвазивно напечатать под кожей у мыши объект, который воспроизводит форму, а главное, тканевую структуру ушной раковины… Это звучит довольно футуристично и жутковато. Давайте разбираться.

Особенности инвазивной и неинвазивной 3D печати тканей

Одним из самых больших препятствий в инвазивной 3D тканевой инженерии является не технология. Скорее, это необходимость в операции.

Большинство современных прототипов биопечатных тканей создается в лаборатории, где ученые могут более тщательно контролировать процесс роста ткани. Например, печать легких обычно начинается с донорского образца легкого, клетки которого вымываются специальным средством, а затем заселяются новыми донорскими клетками. Другие инновационные подходы используют яблоки в качестве основы для печати ушей или добавляют антибиотики и другие лекарства непосредственно в напечатанные в 3D-кости, чтобы помочь в борьбе с воспалением.

Авторы пишут, что основная проблема этих подходов заключается в том, что в конечном итоге они требуют хирургического вмешательства. Распечатанная ткань должна быть собрана и хирургически вставлена ​​в поврежденное место, что, в свою очередь, приводит к росту рисков и большему повреждению имплантата и окружающих тканей. Последствия инвазивной 3D хирургии варьируются от длительного пребывания в больнице до повторных операций и удаления отторгнутых имплантатов, не говоря уже о болевых ощущениях.

В последнее десятилетие технология неинвазивной 3D-биопечати на основе цифровой обработки света благодаря своей универсальности стала привлекать значительно больше внимания. Основная ее идея состоит в том, чтобы ввести биочернила, содержащие особые клетки, в поврежденную ткань, а затем неинвазивно излучать свет, чтобы «активировать» клетки, содержащиеся в биочернилах. В зависимости от типа клеток, есть потенциальная возможность таким образом восстанавливать поврежденные спинной мозг, нервные волокна или кровеносные сосуды.

загруженное.jpg

Суть эксперимента

Для неинвазивного наращивания ткани необходимо выполнить два требования: во-первых, проникнуть в ткань, а во-вторых, полимеризовать или «активировать» клетки биочернил и поддерживающую матрицу, чтобы запустить самоорганизацию в заданные структуры.

Команда авторов нового исследования отмечает, что «ультрафиолетовый или синий свет традиционно используют для облегчения биопечати… но такой свет обладает плохой способностью проникать в ткани. Более того, ультрафиолетовое излучение может также привести к повреждению (если хотите, «солнечному ожогу») искусственно создаваемой и биологической тканей. Напротив, ближний инфракрасный свет может безопасно активировать биочернила и глубоко проникать в ткани». Поскольку различные пространственные структуры света могут быть настроены так, чтобы активировать биоинформацию по-разному, как внутри слоя, так и между слоями, команда начала серию экспериментов с биопечатью, которая запускается светом.

Вначале ученые «напечатали» таким методом несколько фигур на открытых тканеподобных структурах, а затем перешли к биопечати внутри поверхностных тканей тела. После недели экспериментов удалось напечатать несколько форм в спине живых мышей, причем и новая ткань, и окружающие ее ткани не подверглись воспалению и другим повреждениям.

Продвигаясь дальше, они ввели изображение здорового человеческого уха в свою систему и генерировали зеркальное отображение этого уха. Затем они провели инъекцию биочернил, содержащих хондроциты (клетки, которые составляют хрящевую структуру уха), в спину мышей и подвергли эту область излучению, которое кодировало заданную форму. Через полминуты ухо обрело форму, а в течение месяца печатное ухо начало создавать опорные конструкции для дальнейшего поддержания своей формы.

Польза и предстоящие задачи

6bca5dd7ad812e1635ab304516b957d5.jpg

Создание новой ткани - не единственное, на что способна эта технология. В дополнительном исследовании команда обнаружила, что такой же подход можно применять для заживления тяжелых ран и повреждений без необходимости хирургического вмешательства. Конечно, между печатью уха в спине мыши и восстановлением поврежденного человеческого уха предстоит пройти большой путь, но самое главное, что новое исследование показывает, что это в принципе возможно.

Необходим решить еще много задач, ведь излучение не может проникать очень глубоко в организм и есть ограничение, заключающееся в том, что эта технология на данный момент может использоваться только для поверхностных слоев тканей. Также до сих пор неясно, проникнет ли собственная кровеносная система мышей в отпечатанное ухо, обеспечивая его питательными веществами для долгосрочного выживания. Также на данный момент биоинженерное ухо не может чувствовать, встраивание в напечатанный объект нервной системы и «подключение» ее к основному хозяину остается серьезной проблемой.

Но это все уже не кажется невозможным в свете того, что уже удалось достичь. Авторы завершают свое исследование на оптимистичной ноте: «Без хирургической имплантации в организме были успешно созданы индивидуальные конструкции живых тканей. Эта работа откроет новый путь для исследований 3D-печати и продвинет область неинвазивной медицины».

Текст: Юлия Долженкова