3D-принтиран сърдечен вентрикул работи автономно вече над 3 месеца

Учени разработиха нова технология за 3D биопринтиране, включваща вмъкване на биоцерини със сърдечни клетки в самовъзстановяващ се гел, използван като рамка. Устройството преодолява едно от най-големите предизвикателства в тъканното инженерство, като създава почти функционални сърдечни камери, способни да работят самостоятелно в продължение на над 3 месеца.

Тъканното инженерство дава възможност да се създават биологични структури, широко използвани в регенеративната медицина. Но преди появата на 3D биопринтирането наличните технологии позволяваха създаването само на сравнително опростени структури. Действително, изкуствената сърдечна тъкан, например, се получава чрез отливане на смес от протеини на извънклетъчния матрикс (ECM), кардиомиоцити и други видове сърдечни клетки.

Този метод дава възможност да се създават структури с опростена геометрия, като например нишки, пръстени или мрежи. Създадени са също така балоновидни вентрикули с помощта на специални форми или чрез вграждане на биокерамика, запълнена с клетки, в твърди структури, отпечатани на 3D принтер.

Тези методи обаче имат ограничения, тъй като не позволяват генерирането на тъкани със сложна многоклетъчна структура. И въпреки че технологиите за 3D биопринтиране вече могат да се използват за създаване на много по-сложни структури, те все още са изправени пред редица предизвикателства.

Преодоляване на едно от основните предизвикателства при 3D биопринтирането

Повечето от тъканите и органите в тялото ни имат много сложни функции, които съвременната технология за 3D биопринтиране не е в състояние точно да възпроизведе. Сърдечната тъкан е една от тези структури, тъй като клетките, които я изграждат, имат автономен механизъм на свиване. В сърцето тези клетки бият в унисон според много точен ритъм, за да снабдяват с кръв цялото тяло.

Тази контракция трябва да бъде равномерно и ритмично разпределена в мрежата от кухини (камери и предсърдия) и се осъществява чрез йонни канали (регулиращи калциевата, калиевата и другите хомеостази). Лабораторното възпроизвеждане на тази сложна тъканна структура, способна да се активира автономно в рамките на цял орган, е една от най-предизвикателните задачи на 3D биопринтирането.

С помощта на най-новите технологии е възможно да се създадат миниатюрни органи, включително кухини и големи съдове. За целта се използват кардиомиоцити, получени от човешки индуцирани плурипотентни стволови клетки (hiPSC-CM) и вградени в матрица, получена от оментума (мембраната, която покрива стените на коремната кухина и покрива и поддържа органите), които са директно отпечатани. Въпреки структурните постижения обаче досега не са могли да бъдат установени нито електрическа активност, нито контрактилност.

Предишни изследователи са успели да постигнат електрическа активност, като са използвали нов тип биохимикал за създаване на меки хидрогелове. Въпреки че получената структура се състои от взаимосвързани мрежи от сърдечни клетки, способни спонтанно да се свиват, геометричната сложност, която може да се постигне, е сравнително ограничена.

В ново проучване, което е публикувано в bioRxiv, се предлага да се преодолеят някои от тези предизвикателства чрез разработване на нова технология за директно отпечатване на hiPSC-CM. Целта е да се създаде функционална сърдечна тъкан. Новото устройство, разработено от изследователи от Университета „Фридрих-Александър“ в Ерланген, Нюрнберг, създава структури, вариращи от семпли пръстени до истински миниатюрни камери, които се съкращават спонтанно в продължение на повече от 100 последователни дни. Силата на свиване може да се регулира чрез фармакологични стимули.

Процесът на печат с гел

Протоколът, разработен от изследователите, включва предварителен разтвор на колаген, който може да бъде отпечатан във вана, състояща се от втори гел, който служи като опора. Като един от най-разпространените протеини в сърцето, колагенът е добре съвместим със сърдечното тъканно инженерство. Въпреки това колагеновите хидрогелове са особено трудни за отпечатване, след като се втвърдят.

В процеса на отпечатване „в гела“ те преодоляват това препятствие, като използват опорната вана като стабилизатор. По-конкретно, тази техника позволява на хидрогела (биокерамиката) да запази течната си форма достатъчно дълго, за да може печатащата дюза да премине през опорната вана. Процесът по нещо прилича на показаното във фантастичния сериал „Западен свят„.

За отпечатване на hiPSC-CMs със сложни форми изследователите първо разработват опорна вана, състояща се от желатин и микрочастици от гумимиараби. Когато тези микрочастици се уплътнят чрез центрофугиране, те образуват самовъзстановяваща се опора, която позволява на печатащата дюза да премине през тях без повреда, като същевременно стабилизира цялата структура. В тази опора се инжектират биокутии – смес от предварително желирани клетки, съдържащи колаген и хиалуронова киселина, за да се отпечата желаната форма. След като процесът на отпечатване приключи, поддържащият гел се разтваря, оставяйки само крайната структура.

С помощта на този протокол изследователите получават структура с форма на топка, която може да се свива самостоятелно. Изкуственият вентрикул е висок 14 милилитра, а диаметърът на основата му е около 8 милиметра. За сравнение, вентрикулите на средностатистическото човешко сърце са шест пъти по-големи.

В близко бъдеще изследователите планират да прехвърлят този протокол към цялостно сърце с два вентрикула и две съкращаващи се предсърдия. Тази цел обаче е свързана и с други проблеми: например, тъй като в миокарда има и голям брой кръвоносни съдове (освен коронарните) и нерви, за конструирането на истински функционален орган ще са необходими други видове биосъдове. И в този случай ще трябва да се провери взаимодействието на различните тъкани.