Группа исследователей из Университета штата Пенсильвания разработала новую методику биопечати, которая использует сфероиды, представляющие собой скопления клеток, для создания сложных тканей. Эта новая методика повышает точность и масштабируемость производства тканей, позволяя создавать их в 10 раз быстрее, чем существующие методы. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Новый биопринтер печатает ткань человека 16 соплами быстро и осторожно
Группа исследователей из Университета штата Пенсильвания разработала новую методику биопечати, которая использует сфероиды, представляющие собой скопления клеток, для создания сложных тканей. Эта новая методика повышает точность и масштабируемость производства тканей, позволяя создавать их в 10 раз быстрее, чем существующие методы.
Исследователи напечатали сантиметровый кубик хрящевой конструкции с помощью высокопроизводительной системы Integrated Tissue Fabrication System for Bioprinting (HITS-Bio). Ozbolat Lab at Penn State
Трехмерная биопечать — это реальный способ создания копий человеческих тканей, которые могут быть использованы, например, для создания органов для трансплантации, изучения развития заболеваний и тестирования новых лекарств.
Биопринтинг позволяет исследователям создавать трехмерные структуры из живых клеток и других биоматериалов. Живые клетки помещаются в подложку, например гидрогель, для получения биочернил, которые затем послойно печатаются с помощью специализированного принтера. Эти клетки растут и размножаются, превращаясь в 3D-ткань в течение нескольких недель. Руководитель работы Ибрагим Т. Озболат сказал, что это похоже на строительство кирпичной стены, где клетки — это кирпичи, а биочернила — раствор.
Но при таком стандартном подходе трудно добиться такой же плотности клеток, как в человеческом организме, говорит Озболат. Такая плотность клеток необходима для создания функциональной ткани, которую можно использовать в клинических условиях. Сфероиды (миниатюрные шарики из клеток), с другой стороны, являются многообещающей альтернативой для биопечати тканей, поскольку они имеют плотность клеток, схожую с человеческой тканью.
Была и другая проблема. Существующие методы биопечати часто повреждают тонкие клеточные структуры в процессе печати, что приводит к гибели клеток. Если процесс идет осторожно, и клетки выживают, — печать очень медленная.
В новом исследовании Озболат и его коллеги разработали систему биопринтинга с аспирацией: с помощью тончайшей пипетки исследователи захватывали крошечные шарики клеток и помещали точно на то место, где шарики собираются вместе и создают твердую ткань. Но поскольку этот метод предполагает перемещение сфероидов по одному, на создание структуры объемом один кубический сантиметр может уйти несколько дней.
Печать 16 соплами
Схема процесса HITS-Bio.
Чтобы решить эти проблемы, команда разработала новую методику под названием «Высокопроизводительная интегрированная система изготовления тканей для биопечати» (HITS-Bio). В HITS-Bio используется массив сопел с цифровым управлением, который перемещаются в трех измерениях и позволяют исследователям манипулировать несколькими сфероидами одновременно. Команда организовала сопла в виде массива четыре на четыре, который может одновременно захватывать 16 сфероидов и быстро и точно помещать их на подложку из биочернил. Массив насадок может собирать сфероиды по индивидуальным шаблонам, которые затем можно повторять для создания архитектуры, характерной для сложных тканей.
«Мы можем очень быстро создавать масштабируемые структуры», — говорит Озболат. — «Это в 10 раз быстрее, чем существующие методы, и сохраняет жизнеспособность клеток более чем на 90%».
Искусственный хрящ
Чтобы протестировать платформу, команда занялась созданием хрящевой ткани. Они создали структуру размером в один кубический сантиметр, содержащую около 600 сфероидов, состоящих из клеток, способных формировать хрящ. Процесс занял менее 40 минут, что является высокоэффективным показателем, превосходящим возможности существующих технологий биопечати.
Ввод костных конструкций в дефекты коленной чашечки крысы для регенерации кости.
Затем на модели крысы команда показала, что метод биопечати может быть использован для восстановления тканей прямо во время хирургических операций. Они напечатали сфероиды непосредственно в месте раны во время операции. Исследователи запрограммировали сфероиды на превращение в кость с помощью технологии микроРНК. МикроРНК помогают контролировать экспрессию генов в клетках, включая дифференциацию клеток в определенные типы.
«Поскольку мы вводили клетки в больших дозах, это ускорило процесс восстановления кости», — говорит Озболат. Через три недели рана зажила на 91%, а через шесть недель — на 96%».
Сейчас команда работает над методами встраивания кровеносных сосудов в создаваемую ткань, что необходимо для создания большего количества типов тканей, которые могут быть использованы в клинических условиях или при трансплантации.