Биопринтер создал действующий кусок сердечной мышцы

В технологии печати человеческих органов наметился прорыв. Первые образцы напечатанных живых тканей и построенных из них пространственных структур, пока довольно простых, биологи уже изучают в лабораториях. Впереди ещё много работы. Но, по словам учёных, первые “товарные” ткани из принтера появятся на рынке в самые ближайшие годы.

Несколько лет назад было показано, что печать биологических тканей — это не фантастика. Однако от ранних опытов до массового применения такой технологии в медицине пройдёт ещё не один год. Простой вроде принцип: наращивание клеточной ткани слой за слоем при помощи принтера, напоминающего по устройству обычный. Но тут главное — продумать все тонкости технологии, выявить её подводные камни.

Этим и занимаются профессор Габор Форгач (Gabor Forgacs) и его лаборатория Forgacslab в рамках проекта Organ Printing.

Форгач и его коллеги из университета Миссури (University of Missouri-Columbia) создали функциональные кровеносные сосуды и кусочки сердечной ткани при помощи своего перспективного способа печати органов, о чём и написали статью в журнале Tissue Engineering.

Говоря упрощённо, в экспериментах университета Миссури используется трёхмерный биопринтер (построенный по заказу учёных компанией nScrypt), заправляемый живыми “чернилами”. Он по командам компьютера и выстраивает нужную “конструкцию” слой за слоем.

Надо сказать, что существуют разные способы культивирования тканей для тех же целей (в качестве имплантата). В частности тканей сердца.

 

Конёк Габора Форгача — биофизика

Однако во всех них для выращивания даже простой сердечной заплатки необходимо сначала создать “монтажный каркас”, который задавал бы форму будущего органа или трансплантата.

Преимущество нового метода в том, что такая основа вообще не требуется — форму сосуда, кусочка печени или сердечной мышцы задаёт сам принтер. А ведь любой “каркас” для клеток, попавший в организм в составе имплантата, это потенциальный инициатор воспаления, отмечает Габор.

Мы уже говорили, что экспериментатор ведёт печать не отдельными клетками (как пробуют другие учёные, работающие на той же ниве), но конгломератами, насчитывающими десятки тысяч клеток. Как же получается, что они формируют нужную по составу и структуре ткань?

Вот подробности технологии.

Общая схема печати органа “по Форгачу”. Пояснения — в тексте

Сначала (смотрите рисунок) специальное устройство нарезает заранее культивированную ткань (не являющуюся, однако, органом) или, точнее, плотную клеточную суспензию на микроскопические цилиндрики с соотношением диаметра и длины 1 : 1 (a). Далее цилиндрики эти скругляют в питательной среде, формируя микросферы – “биочернила”. Одна их капля показана на фото. Диаметр её составляет 500 микрометров. Оранжевый цвет ей придаёт специальный краситель, введённый в мембраны клеток (b).

Картридж (c) принтера содержит микропипетки, заполняемые такими микросферами одна за другой. Трёхмерный принтер (d) может по очереди выдавать эти шарики (учёные также называют их “сфероиды”) с микронной точностью. Микропипетки и область работы печатающей головки исследователи могут наблюдать в реальном времени при помощи камер, встроенных в принтер (e).

Печатает прибор сразу тремя “цветами”. Два из них — это сфероиды с целевыми клетками (в последних опытах Форгача это были клетки сердечной мышцы и эпителиальные клетки), а третий — скрепляющий гель, содержащий коллаген, фактор роста и ряд других веществ. Он нужен будущему органу, чтобы сохранить свою форму до того момента, когда целевые клетки срастутся между собой.

Важно, что печатается гель вместе с “запчастью”, в виде последовательно наносимых двухмиллиметровых слоёв, в которые и оказываются погружены микросферы с клетками разного типа (f).

Нанесённые вперемешку с гелем сфероиды (с тысячами клеток каждый)

постепенно объединяются в нужную ткань, гель же удаляется

“Мы никогда не сможем полностью напечатать печень, со всеми её деталями, — говорит Габор, — но этого и не требуется. Если вы сможете инициировать процесс, природа доделает всё за вас”. Иными словами, метод Форгача предполагает не печать совершенно готовых органов, ничем не отличающихся от тех, что работают в теле человека, а создание живых заготовок, к органам очень близких. Заготовок, доводку которых до ума возьмут на себя законы биологии развития.

Авторы опытов говорят, что происходящее в отпечатанном куске ткани идентично процессам, идущим в эмбрионе на ранних стадиях развития органов. Специализированные клетки, следуя внутренним “инструкциям”, объединяются именно в ту систему, которую от них ждут.

Как пишет Nature, при печати клетками эндотелия в смеси с клетками сердца группа Форгача получила кусочек работоспособной мышцы, в которой все клетки объединились в единую систему через 70 часов после печати и начали синхронно сокращаться через 90 часов. При этом клетки эндотелия собирались в некие трубочки, напоминающие капилляры.

Примеры напечатанных Габором тканей и биологических “запчастей”: (a) расположенные кольцом частицы “биочернил” (флуоресцирующие благодаря красителю двумя цветами) сразу после печати и через 60 часов; (b) эволюция трубки, набранной из колец, показанных на картинке (a); (c, вверху) 12-слойная трубка, составленная из клеток гладких мышечных волокон пуповины; (c, внизу) разветвлённая трубка (прообраз сосудов для трансплантации); (d) построение сокращающейся сердечной ткани. Слева показана решётка (6 х 6) из сфероидов с клетками сердечной мышцы (без эндотелия), распечатанных на коллагеновой “биобумаге”. Если в те же “чернила” добавляются клетки эндотелия (второй рисунок — красный цвет, кардиомиоциты же тут показаны зелёным), они заполняют сначала пространство между сфероидами, а через 70 часов (d, справа) вся ткань становится единым целым. Внизу: график сокращения клеток полученной ткани. Как видно, амплитуда (отмерена по вертикали) сокращений составляет примерно 2 микрона, а период — около двух секунд (время отмечено по горизонтали)

Аналогично учёные печатали и просто отдельные небольшие сосуды. В процессе “набора” их стенок коллагеновый гель (иначе — “биобумага”) подавался не только на края, но и в середину сосуда. Уже после соединения клеток в ткань сердцевина легко удалялась, оставляя проход для кровотока. Таким способом команда Форгача уже может создавать ветвящиеся сосудики на заказ, любой желаемой формы.

Сейчас исследователи работают над способом наращивания мышц на таких трубках, чтобы сделать их (напечатанные сосуды) достаточно прочными для сшивания с настоящими сосудами в ходе операции.

При этом группа работает над особо трудными для изготовления сосудами, диаметром меньше 6 миллиметров. Дело в том, что для сосудов более крупных давно существуют удачные синтетические заменители, применяемые в качестве трансплантатов. А вот создать из голой синтетики хорошие мелкие сосуды, и тем более – капилляры, пока не удаётся. Потому их выращивание и было бы настоящим выходом.

Структура полученных учёными тканей сердца

Форгач и его коллеги создали компанию Organovo, также базирующуюся в Миссури, которая и займётся развитием технологии и выводом её на рынок. Причём теперь они заявляют: в течение нескольких лет в продаже должен появиться первый продукт фирмы. Это будут простые фрагменты тканей, предназначенные для токсикологических тестов (например напечатанные кусочки человеческой печени). Такие образцы могли бы заменить лабораторных животных.

Чуть позже должны появиться и напечатанные трансплантаты. Сперва это будут кровеносные сосуды.

Ну а дальше можно будет понемногу подобраться и к печати более сложных органов на заказ. Например, говорят разработчики данной технологии, одними из первых таких “запчастей” они начнут печатать человеческие почки. Интересно, что внешне органы эти, вероятно, и не будут выглядеть как почки, сообщают экспериментаторы, но работать в организме должны ничуть не хуже.

И пусть очередь органов, устроенных куда сложнее и работающих не столь просто, наступит позже, первые предвестники этих рукотворных, но при этом живых трансплантатов уже созданы. Так что работоспособность метода, хотя бы в его основе, можно считать доказанной.