Команда исследователей из Университета Карнеги - Меллона опубликовала статью в журнале Science, в которой подробно описывается разработанная ими методика, позволяющая создавать трёхмерный каркас для биопечати из коллагена, основного структурного белка в организме человека. Новая технология ещё на один шаг приближает науку к возможности 3D-печати полноразмерного сердца взрослого человека.

Технология FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels - обратимое встраивание суспендированных гидрогелей в свободной форме) позволила исследователям преодолеть многие проблемы, связанные с существующими методами трехмерной биопечати, и достичь беспрецедентного разрешения и точности с использованием мягких и живых материалов.

Каждый из органов человеческого тела, в том числе сердце, состоит из специализированных клеток, которые удерживаются вместе биологическим каркасом, называемым внеклеточным матриксом (extracellular matrix - ЕСМ). Внеклеточный матрикс представляет собой белковую структуру, которая поддерживает форму органов и обеспечивает функцию биохимических сигналов, необходимых клеткам для нормальной работы. До сих пор создание и перестройка ECM было одним из ключевых препятствий на пути к 3D-печати полноценно функционирующих человеческих органов.

«Мы продемонстрировали, что можем печатать части человеческого сердца из клеток и коллагена, которые действительно работают, например, сердечный клапан или желудочек», - рассказывает Адам Файнберг (Adam Feinberg), профессор биомедицинской инженерии и материаловедение в Университете Карнеги - Меллона. «Используя данные МРТ человеческого сердца, мы смогли точно воспроизвести анатомическую структуру, специфичную для пациента, и напечатать её с использованием коллагена и живых клеток».

Более 4000 пациентов в Соединенных Штатах стоят в очереди на пересадку сердца, в то время как миллионы других людей по всему миру нуждаются в пересадке, но не имеют такой возможности в принципе. Потребность в донорских органах огромна, и медицине чрезвычайно необходим новый подход для создания искусственных органов или их частей, чтобы эту потребность удовлетворить, спасая миллионы жизней. Файнберг и его команда, являясь частью инициативы по биоинженерии человеческих органов Университета Карнеги - Мелоона, работают над решением этой проблемы, используя новое поколение биотехнологий, которые смогут более точно воспроизводить естественные структуры человеческих органов.

«Коллаген является чрезвычайно необходимым биоматериалом для 3D-печати, потому что он входит в состав буквально каждой ткани в вашем теле», - объясняет Эндрю Хадсон (Andrew Hudson), кандидат биологических наук и студент в лаборатории Фейнберга, а также один из авторов исследования. «Что делает 3D-печать органов настолько трудной, так это то, что она производится с использованием текучих веществ, поэтому, если вы попытаетесь что-либо напечатать просто в воздухе, то получите лужу на вашей платформе. Поэтому мы разработали технологию, которая предотвращает подобную деформацию».

Метод трёхмерной биопечати FRESH, разработанный в лаборатории Файнберга, позволяет наносить коллаген слой за слоем в ёмкость со специальным гелем, используемым для поддержания структуры, давая коллагену время, чтобы застыть и принять необходимую форму. FRESH позволяет растопить структурный гель, просто повысив температуру напечатанного объекта с комнатной до температуры тела, что позволяет очистить напечатанную структуру без каких-либо повреждений, оставив только коллаген и живые клетки.

Этот метод крайне перспективен для 3D-биопечати, потому что он позволяет печатать объёмные коллагеновые структуры в масштабе человеческих органов. И более того, он не ограничивается только коллагеном, позволяя использовать также фибрин, альгинат и гиалуроновую кислоту, обеспечивая надежную и адаптируемую платформу для тканевой инженерии. Важно отметить, что исследователи поделились своими наработками в виде открытого исходного кода, чтобы почти каждый желающий, от работников лабораторий до старшеклассников, мог иметь доступ к недорогим, высокопроизводительным 3D-биопринтерам.

Заглядывая в будущее, FRESH найдёт применение во многих аспектах регенеративной медицины, от заживления ран до биоинженерии органов, но это всего лишь один из инструментов в развивающемся направлении биотехнологий.

«На самом деле мы ведём речь о конвергенции технологий. Важно не только то, что делает моя лаборатория в области биопечати, но также исследования других лабораторий и небольших компаний в области науки о стволовых клетках, машинного обучения и компьютерного моделирования, а также нового аппаратного и программного обеспечения для трехмерной биопечати», - объясняет Фейнберг.

«Нужно понимать, что предстоит ещё много лет исследований», - добавляет Файнберг. «Но всё же мы испытываем определённое волнение, так как добились реального прогресса в печати функциональных тканей и органов человека, и наше исследование ещё один шаг по этому пути».

Ниже вы можете посмотреть видеопрезентацию проекта на английском языке.