Noua inovație permite oamenilor de știință să creeze rețele vasculare rafinat împletite care imită pasajele naturale ale organismului pentru sânge, aer, limfă și alte fluide vitale.
Cercetarea este prezentată pe coperta ediției din această săptămână a revistei Science. Acesta include o dovadă de principiu impresionantă din punct de vedere vizual – un model de hidrogel al unui sac de aer care imită plămânii, în care căile respiratorii livrează oxigen către vasele de sânge din jur. De asemenea, sunt raportate și experimente de implantare în șoareci a unor construcții bioimprimate care conțin celule hepatice.
Lucrarea a fost condusă de bioinginerii Jordan Miller de la Rice University și Kelly Stevens de la University of Washington (UW) și a inclus 15 colaboratori de la Rice, UW, Duke University, Rowan University și Nervous System, o firmă de proiectare din Somerville, Massachusetts.
„Unul dintre cele mai mari obstacole în calea generării de țesuturi funcționale de înlocuire a fost incapacitatea noastră de a imprima vascularizația complexă care poate furniza nutrienți țesuturilor dens populate”, a declarat Miller, profesor asistent de bioinginerie la Brown School of Engineering din cadrul Rice’s Brown School of Engineering. „Mai mult, organele noastre conțin de fapt rețele vasculare independente – cum ar fi căile respiratorii și vasele de sânge din plămâni sau canalele biliare și vasele de sânge din ficat. Aceste rețele care se întrepătrund sunt întrepătrunse din punct de vedere fizic și biochimic, iar arhitectura în sine este intim legată de funcția țesutului. Tehnologia noastră este prima tehnologie de bioimprimare care abordează provocarea multivascularizării într-un mod direct și cuprinzător.”
Stevens, profesor asistent de bioinginerie la UW College of Engineering, profesor asistent de patologie la UW School of Medicine și cercetător la UW Medicine Institute for Stem Cell and Regenerative Medicine, a declarat că multivascularizarea este importantă deoarece forma și funcția merg adesea mână în mână.
„Ingineria țesuturilor s-a luptat cu acest lucru timp de o generație”, a spus Stevens. „Cu această lucrare putem acum să ne întrebăm mai bine: „Dacă putem imprima țesuturi care arată și acum chiar respiră mai mult ca țesuturile sănătoase din corpul nostru, se vor comporta apoi și din punct de vedere funcțional mai mult ca acele țesuturi?”. Aceasta este o întrebare importantă, deoarece cât de bine funcționează un țesut bioimprimat va afecta succesul pe care îl va avea ca terapie.”
Obiectivul bioimprimării de organe sănătoase și funcționale este determinat de nevoia de transplanturi de organe. Mai mult de 100.000 de persoane se află pe listele de așteptare pentru transplanturi numai în Statele Unite, iar cei care primesc în cele din urmă organe de la donatori se confruntă totuși cu o viață întreagă de medicamente imunosupresoare pentru a preveni respingerea organelor. Bioimprimarea a stârnit un interes intens în ultimul deceniu deoarece, teoretic, ar putea rezolva ambele probleme, permițând medicilor să imprime organe de înlocuire din propriile celule ale pacientului. O rezervă pregătită de organe funcționale ar putea fi implementată într-o zi pentru a trata milioane de pacienți din întreaga lume.
„Ne imaginăm că bioimprimarea va deveni o componentă majoră a medicinei în următoarele două decenii”, a declarat Miller.
„Ficatul este deosebit de interesant deoarece îndeplinește un număr uluitor de 500 de funcții, probabil al doilea după creier”, a spus Stevens. „Complexitatea ficatului înseamnă că în prezent nu există nicio mașină sau terapie care să poată înlocui toate funcțiile sale atunci când acesta cedează. Organele umane bioimprimate ar putea într-o zi să furnizeze acea terapie.”
Pentru a aborda această provocare, echipa a creat o nouă tehnologie de bioimprimare cu sursă deschisă denumită „aparat stereolitografic pentru inginerie tisulară”, sau SLATE. Sistemul utilizează fabricarea aditivă pentru a realiza hidrogeluri moi, strat după strat.
Câmpurile sunt imprimate dintr-o soluție lichidă de pre-hidrogel care devine solidă atunci când este expusă la lumină albastră. Un proiector de procesare digitală a luminii luminează de jos, afișând secvențial felii 2D ale structurii la rezoluție înaltă, cu dimensiuni ale pixelilor cuprinse între 10-50 microni. Cu fiecare strat solidificat pe rând, un braț suspendat ridică gelul 3D în creștere doar atât cât să expună lichidul la următoarea imagine de la proiector. Ideea cheie a lui Miller și a lui Bagrat Grigoryan, un student absolvent al Rice și coautor principal al studiului, a fost adăugarea de coloranți alimentari care absorb lumina albastră. Acești fotoabsorbanți limitează solidificarea la un strat foarte fin. În acest fel, sistemul poate produce geluri moi, pe bază de apă, biocompatibile, cu o arhitectură internă complexă, în câteva minute.
Testările structurii care imită plămânii au arătat că țesuturile au fost suficient de rezistente pentru a evita să se spargă în timpul fluxului sanguin și al „respirației” pulsatile, o admisie și o ieșire ritmică de aer care simulează presiunile și frecvențele respirației umane. Testele au arătat că celulele roșii din sânge puteau absorbi oxigenul în timp ce treceau printr-o rețea de vase de sânge care înconjoară sacul de aer „respirator”. Această mișcare a oxigenului este similară schimbului de gaze care are loc în sacii de aer alveolari ai plămânilor.
Pentru a proiecta cea mai complicată structură de imitare a plămânilor din studiu, care este prezentată pe coperta revistei Science, Miller a colaborat cu coautorii studiului, Jessica Rosenkrantz și Jesse Louis-Rosenberg, co-fondatori ai Nervous System.
„Când am fondat Nervous System a fost cu scopul de a adapta algoritmii din natură în noi moduri de a proiecta produse”, a spus Rosenkrantz. „Nu ne-am imaginat niciodată că vom avea oportunitatea de a readuce acest lucru și de a proiecta țesuturi vii.”
În cadrul testelor de implanturi terapeutice pentru bolile hepatice, echipa a imprimat țesuturile prin 3D, le-a încărcat cu celule hepatice primare și le-a implantat în șoareci. Țesuturile aveau compartimente separate pentru vasele de sânge și celulele hepatice și au fost implantate la șoareci cu leziuni hepatice cronice. Testele au arătat că celulele hepatice au supraviețuit implantării.
Miller a declarat că noul sistem de bioimprimare poate produce, de asemenea, caracteristici intravasculare, cum ar fi valvele bicuspide care permit fluidului să curgă într-o singură direcție. La om, supapele intravasculare se găsesc în inimă, în venele picioarelor și în rețele complementare, cum ar fi sistemul limfatic, care nu au o pompă care să conducă fluxul.
„Odată cu adăugarea structurii multivasculare și intravasculare, introducem un set extins de libertăți de proiectare pentru ingineria țesuturilor vii”, a spus Miller. „Acum avem libertatea de a construi multe dintre structurile complicate care se găsesc în organism.”
Miller și Grigoryan comercializează aspecte cheie ale cercetării prin intermediul unei companii start-up cu sediul în Houston, numită Volumetric. Compania, la care Grigoryan s-a alăturat cu normă întreagă, proiectează și produce bioimprimante și biofundente.
Miller, un campion de lungă durată al imprimării 3D cu sursă deschisă, a declarat că toate datele sursă ale experimentelor din studiul publicat în Science sunt disponibile în mod liber. În plus, toate fișierele imprimabile 3D necesare pentru a construi aparatul de imprimare stereolitografică sunt disponibile, la fel ca și fișierele de proiectare pentru imprimarea fiecăruia dintre hidrogelurile utilizate în cadrul studiului.
„Punerea la dispoziție a fișierelor de proiectare a hidrogelurilor va permite altora să exploreze eforturile noastre aici, chiar dacă acestea utilizează o tehnologie viitoare de imprimare 3D care nu există în prezent”, a spus Miller.
Miller a declarat că laboratorul său folosește deja noile tehnici de proiectare și bioimprimare pentru a explora structuri și mai complexe.
„Suntem doar la începutul explorării arhitecturilor găsite în corpul uman”, a spus el. „Încă mai avem atât de multe de învățat.”
Alți coautori ai studiului sunt Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat și Anderson Ta de la Rice; Daniel Corbett, Chelsea Fortin și Fredrik Johansson de la UW; John Gounley și Amanda Randles de la Duke; și Peter Galie de la Rowan.
Lucrarea a fost susținută de Fundația Robert J. Kleberg, Jr. și Helen C. Kleberg Foundation, de John H. Tietze Foundation, de National Science Foundation (1728239, 1450681 și 1250104), de National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 și DP5OD019876) și de Gulf Coast Consortia.
VIDEO este disponibil la: