Nová inovace umožňuje vědcům vytvářet rafinovaně propletené cévní sítě, které napodobují přirozené tělesné průchody pro krev, vzduch, lymfu a další životně důležité tekutiny.
Výzkum je uveden na obálce časopisu Science, který vychází tento týden. Obsahuje vizuálně ohromující důkaz principu – hydrogelový model vzduchového vaku napodobujícího plíce, v němž dýchací cesty přivádějí kyslík do okolních cév. Uvádějí se také pokusy s implantací bioprintovaných konstrukcí obsahujících jaterní buňky do myší.
Práci vedli bioinženýři Jordan Miller z Rice University a Kelly Stevens z University of Washington (UW) a podílelo se na ní 15 spolupracovníků z Rice, UW, Duke University, Rowan University a Nervous System, designérské firmy v Somerville ve státě Massachusetts.
„Jednou z největších překážek na cestě k vytvoření funkčních tkáňových náhrad byla naše neschopnost vytisknout komplexní cévní systém, který dokáže zásobovat živinami hustě osídlené tkáně,“ uvedl Miller, odborný asistent bioinženýrství na Brown School of Engineering v Rice. „Navíc naše orgány ve skutečnosti obsahují nezávislé cévní sítě – jako jsou dýchací cesty a cévy v plicích nebo žlučovody a cévy v játrech. Tyto vzájemně se prolínající sítě jsou fyzikálně a biochemicky provázané a samotná architektura úzce souvisí s funkcí tkání. Naše technologie je první technologií bioprintingu, která řeší problém multivaskularizace přímým a komplexním způsobem.“
Stevens, docent bioinženýrství na UW College of Engineering, docent patologie na UW School of Medicine a výzkumník v UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, uvedl, že multivaskularizace je důležitá, protože forma a funkce jdou často ruku v ruce.
„Tkáňové inženýrství se s tím potýká už celou generaci,“ řekl Stevens. „Díky této práci se nyní můžeme lépe ptát: ‚Pokud dokážeme vytisknout tkáně, které vypadají a nyní i dýchají více jako zdravé tkáně v našem těle, budou se pak také funkčně chovat více jako tyto tkáně? To je důležitá otázka, protože to, jak dobře bude bioprintovaná tkáň fungovat, ovlivní, jak úspěšná bude jako terapie.“
Cíl bioprintování zdravých, funkčních orgánů je veden potřebou transplantací orgánů. Jen ve Spojených státech je na čekacích listinách na transplantaci více než 100 000 lidí a ti, kteří nakonec dárcovské orgány dostanou, se stále potýkají s doživotním užíváním léků potlačujících imunitu, které mají zabránit odmítnutí orgánu. Bioprinting se v posledním desetiletí těší velkému zájmu, protože by teoreticky mohl vyřešit oba problémy tím, že lékařům umožní vytisknout náhradní orgány z vlastních buněk pacienta. Připravené zásoby funkčních orgánů by jednoho dne mohly být nasazeny k léčbě milionů pacientů po celém světě.
„Předpokládáme, že bioprinting se stane hlavní součástí medicíny během příštích dvou desetiletí,“ řekl Miller.
„Játra jsou obzvláště zajímavá, protože plní neuvěřitelných 500 funkcí, pravděpodobně druhých po mozku,“ řekl Stevens. „Složitost jater znamená, že v současné době neexistuje žádný přístroj nebo terapie, která by dokázala nahradit všechny jejich funkce, když selžou. Bioprintované lidské orgány by jednou mohly takovou terapii poskytnout.“
Pro řešení této výzvy vytvořil tým novou bioprintovací technologii s otevřeným zdrojovým kódem nazvanou „stereolitografický přístroj pro tkáňové inženýrství“ neboli SLATE. Systém využívá aditivní výrobu k výrobě měkkých hydrogelů po jedné vrstvě.
Vrstvy se tisknou z tekutého roztoku prehydrogelu, který se po vystavení modrému světlu stane pevnou látkou. Projektor pro digitální zpracování světla svítí světlem zespodu a zobrazuje postupné 2D řezy struktury s vysokým rozlišením, přičemž velikost pixelu se pohybuje v rozmezí 10-50 mikronů. Když každá vrstva postupně ztuhne, rameno nad hlavou zvedne rostoucí 3D gel jen natolik, aby se kapalina vystavila dalšímu obrazu z projektoru. Klíčovým poznatkem Millera a Bagrata Grigoryana, postgraduálního studenta Rice a hlavního spoluautora studie, bylo přidání potravinářských barviv, která absorbují modré světlo. Tyto fotoabsorbéry omezují tuhnutí na velmi jemnou vrstvu. Systém tak dokáže během několika minut vyrobit měkké biokompatibilní gely na vodní bázi se složitou vnitřní architekturou.
Testy struktury napodobující plíce ukázaly, že tkáně jsou dostatečně pevné, aby nepraskaly při průtoku krve a pulzujícím „dýchání“, rytmickém příjmu a výdechu vzduchu, který simuluje tlaky a frekvence lidského dýchání. Testy zjistily, že červené krvinky mohou přijímat kyslík, když proudí sítí krevních cév obklopujících „dýchací“ vzduchový vak. Tento pohyb kyslíku je podobný výměně plynů, k níž dochází v alveolárních vzduchových váčcích plic.
Při návrhu nejsložitější struktury napodobující plíce, která je uvedena na obálce časopisu Science, Miller spolupracoval se spoluautory studie Jessicou Rosenkrantzovou a Jessem Louisem-Rosenbergem, spoluzakladateli společnosti Nervous System.
„Když jsme založili společnost Nervous System, bylo to s cílem přizpůsobit algoritmy z přírody novým způsobům navrhování výrobků,“ uvedla Rosenkrantzová. „Nikdy jsme si nepředstavovali, že budeme mít příležitost vrátit to zpět a navrhovat živé tkáně.“
Při testech terapeutických implantátů pro onemocnění jater tým 3D tiskl tkáně, naložil je primárními jaterními buňkami a implantoval je myším. Tkáně měly oddělené oddíly pro cévy a jaterní buňky a byly implantovány myším s chronickým poškozením jater. Testy ukázaly, že jaterní buňky implantaci přežily.
Miller uvedl, že nový systém bioprintingu dokáže vyrobit také intravaskulární prvky, jako jsou bikuspidální ventily, které umožňují proudění tekutiny pouze jedním směrem. U lidí se intravaskulární chlopně nacházejí v srdci, žilách nohou a doplňkových sítích, jako je lymfatický systém, které nemají žádné čerpadlo pohánějící průtok.
„Přidáním multivaskulární a intravaskulární struktury zavádíme rozsáhlý soubor návrhových svobod pro inženýrství živých tkání,“ řekl Miller. „Nyní máme svobodu vytvářet mnoho složitých struktur, které se nacházejí v těle.“
Miller a Grigoryan komercializují klíčové aspekty výzkumu prostřednictvím houstonské startupové společnosti Volumetric. Společnost, do níž Grigoryan nastoupil na plný úvazek, navrhuje a vyrábí bioprintery a bioinks.
Miller, dlouhodobý zastánce otevřeného 3D tisku, uvedl, že všechna zdrojová data z experimentů v publikované studii Science jsou volně dostupná. Kromě toho jsou k dispozici všechny soubory pro 3D tisk potřebné k sestavení stereolitografického tiskového přístroje, stejně jako návrhové soubory pro tisk každého z hydrogelů použitých ve studii.
„Zpřístupnění návrhových souborů hydrogelů umožní ostatním prozkoumat naše úsilí v této oblasti, i když využijí nějakou budoucí technologii 3D tisku, která dnes neexistuje,“ řekl Miller.
Miller uvedl, že jeho laboratoř již nyní využívá nové techniky návrhu a bioprintingu ke zkoumání ještě složitějších struktur.
„Jsme teprve na začátku našeho zkoumání architektur, které se nacházejí v lidském těle,“ řekl. „Stále se máme co učit.“
Dalšími spoluautory studie jsou Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat a Anderson Ta z Rice, Daniel Corbett, Chelsea Fortin a Fredrik Johansson z UW, John Gounley a Amanda Randles z Duke a Peter Galie z Rowan.
Práci podpořili Robert J. Kleberg, Jr. and Helen C. Kleberg Foundation, John H. Tietze Foundation, National Science Foundation (1728239, 1450681 a 1250104), National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 a DP5OD019876) a Gulf Coast Consortia.
VIDEO je k dispozici na adrese:
.