Исследователи из Университета Нотр-Дам создали на 3D-принтере кровеносные капилляры, размером тоньше человеческого волоса
Исследователи из Университета Нотр-Дам разработали гибридную технологию биопечати, способную создавать кровеносные капилляры диаметром менее 10 микрометров, что меньше толщины самого тонкого человеческого волоса, устраняя одно из самых больших препятствий на пути ученых к созданию органов в лабораторных условиях. Работа, возглавляемая Яньляном Чжаном, профессором кафедры аэрокосмической и машиностроительной инженерии Университета Нотр-Дам, посвященная передовым материалам и производству, была опубликована на обложке журнала Nature Chemical Engineering.
В Соединенных Штатах более 100 000 человек в настоящее время ожидают трансплантации органов, и каждые 10 минут к числу потенциальных кандидатов добавляется новый. Даже успешные трансплантации влекут за собой пожизненные проблемы: реципиенты должны принимать иммунодепрессанты, подвергаются повышенному риску инфекций и живут с постоянной угрозой отторжения органа. Биопечать органов из собственных клеток пациента позволила бы обойти эти проблемы, но воспроизведение сосудистой сети организма, вплоть до мельчайших капилляров, десятилетиями оставалось сложной задачей для исследователей.
Подход Чжана объединяет два различных метода 3D-печати. Мягкий гелеобразный каркас, имитирующий настоящую ткань, создается слой за слоем с помощью экструзионной печати. Затем методом струйной аэрозольной печати внутрь каркаса наносятся тонкие желатиновые нити. Вся система погружается в теплую воду, желатин разжижается и вымывается, а оставшиеся каналы имеют ширину от сотен микрометров до нескольких микрометров.
Для стабильного получения точных размеров потребовалось машинное обучение. Небольшие изменения скорости потока чернил или скорости потока газа-носителя влияют на конечные размеры канала, поэтому команда разработала автономную систему оптимизации для поиска правильной комбинации параметров. «Машинное обучение — это очень мощный инструмент, который помогает нам гораздо быстрее определять оптимальные параметры по сравнению с традиционным методом проб и ошибок», — сказал Чжан.
После печати сетей исследователи засеяли отдельные каналы эндотелиальными клетками — теми же клетками, которые выстилают кровеносные и лимфатические сосуды организма. Эти клетки прикрепились и распространились вдоль внутренних стенок, образуя однослойные структуры, которые воспроизводят барьерную функцию настоящих человеческих капилляров. «Мы очень рады видеть, как живые клетки быстро прикрепляются и распространяются вдоль внутренних стенок каналов, в конечном итоге воспроизводя барьерную функцию настоящих человеческих капилляров», — сказал Чжан. «Это большой шаг вперед в демонстрации того, что наши гибридные сети, напечатанные на 3D-принтере, способны поддерживать живые тканевые структуры без протечек».
Потенциал платформы выходит за рамки создания органов. Сосудистые модели, точно воспроизводящие архитектуру капилляров, могут служить в качестве «органов на чипе» для тестирования безопасности и эффективности лекарственных препаратов, а получение клеток, специфичных для конкретного пациента, в конечном итоге позволит оценивать терапевтический ответ в модели до начала полномасштабного лечения.
Чжан и его коллеги из Гарвардской медицинской школы, возглавляемые доцентом медицины И. Шрайком Чжаном, работающим в Гарвардской медицинской школе и больнице Бригхэм и женской больнице, получили финансирование от Национальных институтов здравоохранения на создание более совершенной версии гибридного биопринтера и продвижение к изготовлению целых органов, выращенных в лаборатории, включая сердце, почки и печень. «Очень много людей ждут трансплантации органов, и возможность печатать органы в лаборатории потенциально может изменить жизнь, помогая людям жить дольше и здоровее», — сказал Чжан.
Исследователи из Университета Нотр-Дам разработали гибридную технологию биопечати, способную создавать кровеносные капилляры диаметром менее 10 микрометров, что меньше толщины самого тонкого человеческого волоса, устраняя одно из самых больших препятствий на пути ученых к созданию органов в лабораторных условиях. Работа, возглавляемая Яньляном Чжаном, профессором кафедры аэрокосмической и машиностроительной инженерии Университета Нотр-Дам, посвященная передовым материалам и производству, была опубликована на обложке журнала Nature Chemical Engineering.
В Соединенных Штатах более 100 000 человек в настоящее время ожидают трансплантации органов, и каждые 10 минут к числу потенциальных кандидатов добавляется новый. Даже успешные трансплантации влекут за собой пожизненные проблемы: реципиенты должны принимать иммунодепрессанты, подвергаются повышенному риску инфекций и живут с постоянной угрозой отторжения органа. Биопечать органов из собственных клеток пациента позволила бы обойти эти проблемы, но воспроизведение сосудистой сети организма, вплоть до мельчайших капилляров, десятилетиями оставалось сложной задачей для исследователей.
Подход Чжана объединяет два различных метода 3D-печати. Мягкий гелеобразный каркас, имитирующий настоящую ткань, создается слой за слоем с помощью экструзионной печати. Затем методом струйной аэрозольной печати внутрь каркаса наносятся тонкие желатиновые нити. Вся система погружается в теплую воду, желатин разжижается и вымывается, а оставшиеся каналы имеют ширину от сотен микрометров до нескольких микрометров.
Для стабильного получения точных размеров потребовалось машинное обучение. Небольшие изменения скорости потока чернил или скорости потока газа-носителя влияют на конечные размеры канала, поэтому команда разработала автономную систему оптимизации для поиска правильной комбинации параметров. «Машинное обучение — это очень мощный инструмент, который помогает нам гораздо быстрее определять оптимальные параметры по сравнению с традиционным методом проб и ошибок», — сказал Чжан.
После печати сетей исследователи засеяли отдельные каналы эндотелиальными клетками — теми же клетками, которые выстилают кровеносные и лимфатические сосуды организма. Эти клетки прикрепились и распространились вдоль внутренних стенок, образуя однослойные структуры, которые воспроизводят барьерную функцию настоящих человеческих капилляров. «Мы очень рады видеть, как живые клетки быстро прикрепляются и распространяются вдоль внутренних стенок каналов, в конечном итоге воспроизводя барьерную функцию настоящих человеческих капилляров», — сказал Чжан. «Это большой шаг вперед в демонстрации того, что наши гибридные сети, напечатанные на 3D-принтере, способны поддерживать живые тканевые структуры без протечек».
Потенциал платформы выходит за рамки создания органов. Сосудистые модели, точно воспроизводящие архитектуру капилляров, могут служить в качестве «органов на чипе» для тестирования безопасности и эффективности лекарственных препаратов, а получение клеток, специфичных для конкретного пациента, в конечном итоге позволит оценивать терапевтический ответ в модели до начала полномасштабного лечения.
Чжан и его коллеги из Гарвардской медицинской школы, возглавляемые доцентом медицины И. Шрайком Чжаном, работающим в Гарвардской медицинской школе и больнице Бригхэм и женской больнице, получили финансирование от Национальных институтов здравоохранения на создание более совершенной версии гибридного биопринтера и продвижение к изготовлению целых органов, выращенных в лаборатории, включая сердце, почки и печень. «Очень много людей ждут трансплантации органов, и возможность печатать органы в лаборатории потенциально может изменить жизнь, помогая людям жить дольше и здоровее», — сказал Чжан.