Сообщая в Nature Biotechnology, ученые сообщили, что напечатали структуры ушей, костей и мышц. При имплантации животным эти структуры превратились в функциональную ткань и образовали систему кровеносных сосудов. Что наиболее важно, эти первые результаты показывают, что структуры имеют правильный размер, прочность и функцию для использования на людях.
«Этот новый принтер для тканей и органов — важный шаг вперед в нашем стремлении создать заменяющую ткань для пациентов», — сказал Энтони Атала, доктор медицины, директор Института регенеративной медицины Уэйк Форест (WFIRM) и старший автор исследования. «Он может изготавливать стабильную ткань любого размера в человеческом масштабе. При дальнейшем развитии эта технология потенциально может быть использована для печати живых тканей и структур органов для хирургической имплантации».При финансировании Института регенеративной медицины Вооруженных сил, финансируемого из федерального бюджета усилия по применению регенеративной медицины для лечения травм на поле боя, команда Атала стремится в будущем имплантировать пациентам мышцы, хрящи и кости с биопечатью.
Тканевая инженерия — это наука, целью которой является выращивание замещающих тканей и органов в лаборатории, чтобы помочь решить проблему нехватки донорской ткани, доступной для трансплантации. Точность 3D-печати делает ее многообещающим методом воспроизведения сложных тканей и органов тела. Однако современные принтеры, основанные на струйной печати, экструзии и прямом переносе с помощью лазера, не могут создавать структуры с достаточным размером или прочностью для имплантации в тело.
Интегрированная система печати на тканях и органах (ITOP), разработанная в течение 10 лет учеными Института регенеративной медицины, решает эти проблемы. Система откладывает как биоразлагаемые, похожие на пластик материалы, чтобы сформировать «форму» ткани, так и гели на водной основе, которые содержат клетки.
Кроме того, образуется прочная временная внешняя конструкция. Процесс печати не вредит клеткам.
Основная задача тканевой инженерии — гарантировать, что имплантированные структуры живут достаточно долго, чтобы интегрироваться с телом. Ученые из Уэйк Форест-баптисты решили эту проблему двояко. Они оптимизировали «чернила» на водной основе, которые удерживают клетки, чтобы они способствовали здоровью и росту клеток, и напечатали решетку микроканалов по всем структурам. Эти каналы позволяют питательным веществам и кислороду из организма диффундировать в структуры и поддерживать их жизнь, пока они развивают систему кровеносных сосудов.
Ранее было показано, что тканевые структуры без готовых кровеносных сосудов должны быть меньше 200 микрон (0,007 дюйма), чтобы клетки могли выжить. В этих исследованиях структура уха размером с ребенка (1,5 дюйма) сохранилась и показала признаки васкуляризации через один и два месяца после имплантации.«Наши результаты показывают, что использованная нами комбинация биочернил в сочетании с микроканалами обеспечивает правильную среду для поддержания жизни клеток и роста клеток и тканей», — сказал Атала.
Еще одним преимуществом системы ITOP является ее способность использовать данные компьютерной томографии и МРТ для «адаптации» тканей для пациентов. Например, для пациента, у которого отсутствует ухо, система может распечатать соответствующую структуру.Несколько экспериментов по проверке концепции продемонстрировали возможности ITOP.
Чтобы показать, что ITOP может создавать сложные трехмерные структуры, напечатанные внешние уши размером с человека были имплантированы под кожу мышей. Два месяца спустя имплантированное ухо сохранило форму имплантированного уха, сформировались хрящевые ткани и кровеносные сосуды.Чтобы продемонстрировать, что ITOP может создавать организованные структуры мягких тканей, крысам имплантировали отпечатанную мышечную ткань.
Через две недели тесты подтвердили, что мышца была достаточно крепкой, чтобы сохранить свои структурные характеристики, стать васкуляризованной и вызвать образование нервов.И, чтобы продемонстрировать конструкцию костной структуры размером с человека, фрагменты костей челюсти были напечатаны с использованием человеческих стволовых клеток. Фрагменты имели размер и форму, необходимые для реконструкции лица у людей. Для изучения созревания биопечати кости в теле крысам имплантировали отпечатанные сегменты кости черепа.
Через пять месяцев структуры с биопечатью образовали васкуляризованную костную ткань.Текущие исследования позволят измерить долгосрочные результаты.