Nowa innowacja pozwala naukowcom tworzyć znakomicie splątane sieci naczyń krwionośnych, które naśladują naturalne korytarze ciała dla krwi, powietrza, limfy i innych płynów niezbędnych do życia.
Badania te są przedstawione na okładce numeru Science z tego tygodnia. Zawiera on wizualnie oszałamiający dowód zasady – hydrożelowy model worka powietrznego imitującego płuca, w którym drogi oddechowe dostarczają tlen do otaczających naczyń krwionośnych. Zgłoszono również eksperymenty mające na celu wszczepienie myszom bioprintowanych konstrukcji zawierających komórki wątroby.
Pracą kierowali bioinżynierowie Jordan Miller z Rice University i Kelly Stevens z University of Washington (UW), a w jej skład wchodziło 15 współpracowników z Rice, UW, Duke University, Rowan University i Nervous System, firmy projektowej z Somerville w stanie Massachusetts.
„Jedną z największych blokad na drodze do generowania funkcjonalnych zamienników tkanek była nasza niezdolność do drukowania złożonych naczyń krwionośnych, które mogą dostarczać składniki odżywcze do gęsto zaludnionych tkanek” – powiedział Miller, adiunkt bioinżynierii w Rice’s Brown School of Engineering. „Co więcej, nasze narządy zawierają niezależne sieci naczyń krwionośnych – jak drogi oddechowe i naczynia krwionośne w płucach lub drogi żółciowe i naczynia krwionośne w wątrobie. Te wzajemnie przenikające się sieci są fizycznie i biochemicznie uwikłane, a sama architektura jest ściśle związana z funkcją tkanki. Nasza jest pierwszą technologią bioprintingu, która w bezpośredni i kompleksowy sposób rozwiązuje problem wielonaczyniowości.”
Stevens, adiunkt bioinżynierii w UW College of Engineering, adiunkt patologii w UW School of Medicine oraz badacz w UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, powiedział, że wielonaczyniowość jest ważna, ponieważ forma i funkcja często idą ze sobą w parze.
„Inżynieria tkankowa zmagała się z tym przez pokolenie”, powiedział Stevens. „Dzięki tej pracy możemy teraz lepiej zapytać: 'Jeśli możemy drukować tkanki, które wyglądają, a teraz nawet oddychają bardziej jak zdrowe tkanki w naszych ciałach, będą one również wtedy funkcjonalnie zachowywać się bardziej jak te tkanki?’ Jest to ważne pytanie, ponieważ to, jak dobrze funkcjonuje wydrukowana tkanka, wpłynie na to, jak skuteczna będzie jako terapia.”
Cel drukowania biologicznego zdrowych, funkcjonalnych narządów jest napędzany przez potrzebę przeszczepów narządów. Ponad 100 000 osób znajduje się na listach oczekujących na przeszczep w samych Stanach Zjednoczonych, a ci, którzy w końcu otrzymają narządy od dawców, nadal będą musieli przyjmować leki immunosupresyjne przez całe życie, aby zapobiec odrzuceniu narządu. W ciągu ostatniej dekady bioprinting wzbudził duże zainteresowanie, ponieważ teoretycznie mógłby rozwiązać oba te problemy, umożliwiając lekarzom drukowanie narządów zastępczych z własnych komórek pacjenta. Gotowy zapas funkcjonalnych organów mógłby pewnego dnia zostać wykorzystany do leczenia milionów pacjentów na całym świecie.
„Przewidujemy, że bioprinting stanie się głównym elementem medycyny w ciągu najbliższych dwóch dekad”, powiedział Miller.
„Wątroba jest szczególnie interesująca, ponieważ wykonuje zdumiewającą liczbę 500 funkcji, prawdopodobnie drugą po mózgu”, powiedział Stevens. „Złożoność wątroby oznacza, że obecnie nie ma maszyny ani terapii, która mogłaby zastąpić wszystkie jej funkcje, gdy ulegnie awarii. Drukowane biologicznie ludzkie organy mogą pewnego dnia dostarczyć takiej terapii.”
Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół stworzył nową technologię drukowania biologicznego o otwartym kodzie źródłowym, nazwaną „stereolitograficznym aparatem do inżynierii tkankowej” lub SLATE. System wykorzystuje wytwarzanie addytywne do tworzenia miękkich hydrożeli po jednej warstwie na raz.
Warstwy są drukowane z płynnego roztworu pre-hydrożelu, który staje się ciałem stałym po naświetleniu niebieskim światłem. Cyfrowy projektor przetwarzania światła świeci światło od dołu, wyświetlając sekwencyjne 2D plasterki struktury w wysokiej rozdzielczości, z rozmiarami pikseli w zakresie 10-50 mikronów. Po zestaleniu się każdej warstwy po kolei, podwieszane ramię unosi rosnący żel 3D na tyle, by odsłonić ciecz na kolejny obraz z projektora. Kluczowym odkryciem Millera i Bagrata Grigoryana, absolwenta Rice i głównego współautora badań, było dodanie barwników spożywczych, które pochłaniają niebieskie światło. Te fotoabsorbery ograniczają krzepnięcie do bardzo cienkiej warstwy. W ten sposób system może produkować miękkie, wodorozcieńczalne, biokompatybilne żele o skomplikowanej architekturze wewnętrznej w ciągu kilku minut.
Testy struktury naśladującej płuca wykazały, że tkanki były wystarczająco wytrzymałe, aby uniknąć rozerwania podczas przepływu krwi i pulsacyjnego „oddychania”, rytmicznego pobierania i wypływu powietrza, które symulowało ciśnienie i częstotliwości ludzkiego oddychania. Testy wykazały, że czerwone krwinki mogą pobierać tlen, gdy przepływają przez sieć naczyń krwionośnych otaczających „oddychający” worek powietrzny. Ten ruch tlenu jest podobny do wymiany gazowej, która zachodzi w pęcherzykach płucnych.
Aby zaprojektować najbardziej skomplikowaną strukturę naśladującą płuca, która jest przedstawiona na okładce Science, Miller współpracował z współautorami badania, Jessicą Rosenkrantz i Jesse Louis-Rosenberg, współzałożycielami Nervous System.
„Kiedy założyliśmy Nervous System, naszym celem było zaadaptowanie algorytmów z natury do nowych sposobów projektowania produktów,” powiedział Rosenkrantz. „Nigdy nie wyobrażaliśmy sobie, że będziemy mieli okazję przywrócić to i zaprojektować żywe tkanki.”
W testach implantów terapeutycznych dla chorób wątroby, zespół wydrukował tkanki 3D, załadował je pierwotnymi komórkami wątroby i wszczepił myszom. Tkanki miały oddzielne przedziały dla naczyń krwionośnych i komórek wątroby i zostały wszczepione myszom z przewlekłym uszkodzeniem wątroby. Testy wykazały, że komórki wątroby przeżyły implantację.
Miller powiedział, że nowy system bioprintingu może również wytwarzać cechy wewnątrznaczyniowe, takie jak zastawki dwudzielne, które pozwalają na przepływ płynu tylko w jednym kierunku. U ludzi, wewnątrznaczyniowe zastawki są znalezione w sercu, żyłach nóg i uzupełniających sieciach jak system limfatyczny , który nie ma pompy by napędzić przepływ.
„Z dodaniem wielonaczyniowej i wewnątrznaczyniowej struktury, wprowadzamy obszerny zestaw swobody projektowania dla inżynierii żywej tkanki,” Miller powiedział. „Mamy teraz swobodę budowania wielu skomplikowanych struktur występujących w organizmie.”
Miller i Grigoryan komercjalizują kluczowe aspekty badań poprzez startup z siedzibą w Houston o nazwie Volumetric. Firma, do której Grigoryan dołączył na pełen etat, zajmuje się projektowaniem i produkcją bioprinterów i biotworzyw.
Miller, wieloletni zwolennik druku 3D z otwartym kodem źródłowym, powiedział, że wszystkie dane źródłowe z eksperymentów w opublikowanym badaniu Science są swobodnie dostępne. Ponadto, wszystkie pliki do druku 3D potrzebne do zbudowania stereolitograficznej aparatury drukarskiej są dostępne, podobnie jak pliki projektowe do drukowania każdego z hydrożeli użytych w badaniu.
„Udostępnienie plików projektowych hydrożeli pozwoli innym na zbadanie naszych wysiłków, nawet jeśli wykorzystują one jakąś przyszłą technologię druku 3D, która dziś jeszcze nie istnieje”, powiedział Miller.
Miller powiedział, że jego laboratorium już teraz wykorzystuje nowe techniki projektowania i bioprintingu do badania jeszcze bardziej złożonych struktur.
„Jesteśmy dopiero na początku naszych badań nad strukturami występującymi w ludzkim ciele,” powiedział. „Wciąż mamy tak wiele do nauczenia się.”
Dodatkowi współautorzy badań to Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat i Anderson Ta z Rice; Daniel Corbett, Chelsea Fortin i Fredrik Johansson z UW; John Gounley i Amanda Randles z Duke; oraz Peter Galie z Rowan.
Praca była wspierana przez Robert J. Kleberg, Jr. i Helen C. Kleberg Foundation, the John H. Tietze Foundation, the National Science Foundation (1728239, 1450681 and 1250104), the National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 and DP5OD019876) and the Gulf Coast Consortia.
VIDEO jest dostępne na stronie:
.