3D-биопечать делает матрицу имитации реальной

В биоинженерных тканях нет ничего виртуального, поэтому возьмите красную таблетку и синюю таблетку.

В лаборатории Университета Флориды под руководством Кристины Э. Шмидт, доктора философии, ученые использовали метод, основанный на апоптозе, для децеллюляризации легких крыс и сохранения внеклеточного матрикса (ECM). Ученые намерены рецеллюляризировать гидрогели ЕСМ для создания моделей заболеваний легких. На этой трехмерной проекции показаны эпителиальные клетки легких крысы, культивированные в гидрогелях ЕСМ легких (зеленый цвет: живые клетки; красный: мертвые клетки).

Внеклеточный матрикс (ECM) представляет собой трехмерную (3D) сеть макромолекул, таких как коллаген, ферменты и гликопротеины, которая необходима для пространственной ориентации, взаимодействия и передачи сигналов между окружающими клетками. Идея создания ЕСМ состоит в том, чтобы имитировать естественную тканевую среду и получить представление о клеточной регуляции, управляемой матриксом, а также в разработке заменителей поврежденных органов.

Имитация ЕСМ оживает благодаря 3D-биопечати. 3D-биопечать, являющаяся продолжением традиционной 3D-печати, представляет собой технологию аддитивного производства, которая наносит биоматериалы — клетки, факторы роста и сшиваемые компоненты каркаса — в формах, благоприятных для формирования тканеподобных структур. 3D-биопечать становится мощным инструментом регенеративной медицины, поскольку она способна сочетать оптимальные физические и биохимические свойства для клеточной адгезии, миграционной пролиферации и дифференциации.

3D-биопечатные модели занимают уникальную нишу в исследовательском сообществе, предлагая строго контролируемую интеграцию поддерживающего матрикса с соответствующими типами клеток. «Если бы [мы хотели] создать синтетический кровеносный сосуд, мы бы посеяли эндотелиальные клетки на одном из биосовместимых биочернил, полученных из желатина, фибрина, альгината или других природных материалов», — говорит Ахилеш К. Гахарвар, доктор философии, научный сотрудник. профессор биомедицинской инженерии Техасского университета A&M.

Близкий соратник Гахарвара, Абхишек Джайн, доктор философии, доцент кафедры биомедицинской инженерии Техасского университета A&M, подтверждает эту мысль: «3D-биопечать может точно воспроизвести анатомию сосудов пациента, включая персонализированную геометрию, полученную при компьютерной томографии. Наслаивая полимерную матрицу и клеточные сообщества, мы постепенно увеличиваем сложность системы, заставляя клетки выравниваться, взаимодействовать и реагировать физиологически соответствующим образом».

Гахарвар и Джайн полагают, что моделирование сложной сосудистой системы может привести к улучшению лечения сосудистых заболеваний. Ожидается, что в ближайшем будущем сосудистые заболевания, вызывающие более 17 миллионов смертей в год, достигнут масштабов эпидемии.

Сложную сосудистую систему трудно воспроизвести in vitro, поскольку она состоит из многослойной архитектуры клеток. Эта архитектура не только соответствует основным сосудистым структурам (сосудам, состоящим из внутренних и внешних слоев клеток), но также поддерживает сложные взаимодействия, которые происходят между сосудистыми клетками и окружающим микроокружением.

«3D-биопечать способна изготовить модель, которая может воспроизводить механические свойства, такие как расслабление и сокращение стенок, а также физиологические свойства, такие как активация эндотелия, образование тромбов и другие важные признаки заболевания», — добавляет Джайн. «Наши лаборатории работают над новым семейством биочернил, которые сохраняют высокую точность формы после экструзии и механическую стабильность после сшивки».

В результате сшивки образуется гидрогель, который объединяется с наносиликатными наночастицами дискообразной формы, которые добавляют прочности печатной конструкции и электростатически связываются с заряженными полимерами. Включение наносиликатов в гидрогели заметно улучшает текучесть растворов-предшественников печатной продукции. Следовательно, сшивание печатных предшественников ультрафиолетовым светом дает уникально прочную, но эластичную матрицу, пригодную для процедур прививки.1

«Наша цель — ускорить открытие лекарств путем создания полностью функционального кровеносного сосуда из первичных сосудистых клеток человека», — заявляет Гахарвар. «[Мы надеемся] изучить межклеточную связь во время болезненных процессов на беспрецедентном уровне».