Подібно до того, як тривимірні принтери встановлюють шари матеріалу для створення структур, біопринтери "видавлюють" живі клітини, створюючи тканини та органи. Довгостроковою мрією цієї концепції є те, що люди, які входять до списків активного очікування на донорство органів - майже 70 000 осіб лише в США, за даними некомерційної об’єднаної мережі з питань спільного використання органів - одного разу можуть отримати можливість отримати біодрукований орган.
Хоча здатність створити функціонуюче серце або нирку таким чином, ймовірно, знаходиться на роки в майбутньому, реалістичні, найближчі цілі включають біодрук простіших структур, таких як кісткові трансплантати. Однак живі тканини, надруковані поза тілом, все одно потребують імплантації, яка часто включає великі розрізи, які збільшують ризик зараження та продовжують час відновлення.
Що, якби лікарі могли замість цього надрукувати клітини безпосередньо всередині тіла? Ідея полягала б у використанні сучасних малоінвазивних хірургічних методів для введення інструментів тривимірного друку пацієнтам через невеликі надрізи, а потім відбувалося створення нових тканин. Потенційні програми для такого біодруку "Іn vivo" можуть включати хірургічні сітки для лікування гриж та ділянки яєчників, щоб допомогти повернути безпліддя.
Біодрукований гель на лабораторному посуді
Фото: Веньсян Чжао
Більша частина попередніх досліджень біодруку "Іn vivo" була зосереджена на обробці шкіри та інших тканин у зовнішній частині тіла, оскільки необхідне обладнання, як правило, занадто велике для доступу до шлунково-кишкового тракту та інших центрально розташованих органів без великої хірургічної операції. Прагнучи лікувати ураження шлунку менш інвазивно, вчені з Китаю хотіли розробити мініатюрний робот для біодруку, який міг би потрапляти в організм людини з відносною легкістю. "Дослідники використовували існуючі методики для створення спритних електронних пристроїв, таких як механічні бджоли та роботи, натхненні тарганами", - говорить старший автор дослідження Тао Сю, біоінженер з Пекінського університету Цінхуа.
Отриманий мікроробот має ширину всього 30 міліметрів - менше половини ширини кредитної картки - і може скластися до довжини 43 міліметри. Потрапляючи всередину тіла пацієнта, воно розкривається і стає довжиною 59 міліметрів і може розпочати біодрук. "Команда створила розумні механізми, які роблять компактну систему при вході в організм, але все ще розгортається, щоб забезпечити велику робочу зону, що пройшла повз жорсткі перешкоди при вході", - говорить Девід Хоелзл, інженер-механік Університету штату Огайо, який не брав участь у дослідженні.
У своїх експериментах дослідники з Китаю встановили мікроробота на ендоскоп (довгу трубку, яку можна ввести через тілесні отвори) і успішно закрутили його через вигнуту трубу в прозору пластикову модель шлунка. Там вони використовували його для друку гелів, завантажених людською оболонкою шлунка та клітинами м’язів шлунка (які вирощували в культурі комерційною лабораторією), на лабораторний посуд. Друковані клітини залишались життєздатними та стабільно розмножувались протягом 10 днів. "Це дослідження є першою спробою поєднати мікророботів та біодрук разом", - говорить Сю.
Дослідники кажуть, що основне лікування ураження шлунка включає ліки, які можуть діяти повільно і не завжди є дуже ефективними; ендоскопічна хірургія, яка може виправити лише відносно невеликі рани; та спреї, які доставляються ендоскопічно, що дозволяють зупинити кровотечу, але мало допомагають повністю вилікувати більшу травму. "Надія на біодрук "Іn vivo" полягає в тому, що це може врешті-решт покращити ці методи, виправляючи ураження шлунка живими структурами, які можуть їх відновити", - говорить Сю.
"Майбутні дослідження можуть зменшити мікроробота до 12 міліметрів у ширину та оснастити його камерами та іншими датчиками, щоб допомогти йому виконувати більш складні операції", - додає Сю. Він та провідний автор дослідження Веньсян Чжао з Університету Цінхуа детально розповіли про свої висновки цього літа в "Biofabrication".
Сю та його колеги зазначають, що гелі, які вони використовували як "чорнило" для біодруку, були стабільними лише тоді, коли були відносно прохолодними. При нормальній температурі тіла вони були занадто рідкими, щоб добре формувати структури. Крім того, розчин хлориду кальцію, який дослідники додали для затвердіння гелів, може потенційно завдати шкоди людському організму. Але інший гель, нещодавно розроблений самостійно Хольцле та його колегами, може допомогти вирішити ці проблеми: він може тримати форму при температурі тіла і може затвердіти за допомогою видимого світла.
Однією із проблем біопринта є те, як ефективно прикріпити надруковані клітини до існуючих м’яких органів та тканин. Хольцле та його колеги випробували потенційне рішення, намагаючись "загоїти" проколи на схожих по тексту матеріалах, включаючи смужки курячої грудної сировини. Спочатку насадка тривимірного принтера видавила у прокол крихітну ручку біо-чорнила, створивши якір, який міг з'єднати пробиту тканину з біодрукованою структурою. Потім вони повільно витягли сопло, відтягуючи нитки від матеріалу, за допомогою якої можна було б розмістити більше клітин на зовнішній стороні тканини. "Ця робота просвітлює", - говорить Сю. Використання цих методів, додає він, допоможе подальшому розвитку біодруку "Іn vivo".
Хольцле припускає, що технологія, швидше за все, ніколи не стане здатною друкувати складні органи. Натомість це може виявитися корисним шляхом збільшення стандартних операцій із відносно скромними друкованими структурами, які могли б випускати ліки для сприяння загоєнню або запобігання інфекції. "Є багато можливостей для матеріалів тканинної інженерії ..., які наразі не розглядаються, - тому що ніхто не хотів би відкривати пацієнта для доставки матеріалу", - говорить Хольцле.
Автор: Чарльз К. Чой
Читайте також: Нове штучне око імітує природну криву сітківки
