Специалистам из Первого МГМУ им. И.М. Сеченова и центра химической физики им. Н.Н. Семенова удалось провести полный цикл биопечати, начиная от клеток до получения тканевого эквивалента. Подобные биоимпланты могут использоваться для проведения трансплантации и регенерации кожного покрова. Данное исследование является очередным шагом на пути к развитию персонализированной медицины, поскольку позволяет печатать органы и ткани для конкретного человека.
Группа российских ученых провела полный цикл 3D-биопечати и получила тканевый биоэквивалент — искусственный аналог живой человеческой ткани. Предполагается, что такие напечатанные конструкции будут использовать для трансплантации пациентам с незаживающими ранами, диабетическими язвами, ожогами, а также в других процессах регенерации.
Работу провела команда ученых Сеченовского Университета Минздрава России и Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, руководит проектом профессор, директор Научно-технологического парка биомедицины Петр Тимашев. Исследование было опубликовано в многопрофильном международном междисциплинарном научном журнале «Биопринтинг» (Bioprinting), который освещает все аспекты технологии 3D-печати с участием биологических тканей, органов и клеток.
Для начала специалисты взяли два типа человеческих стволовых мезенхимных стромальных клеток (МСК) — из жировой ткани и слизистой оболочки десны. Из них сформировали сфероиды (агрегаты клеток в виде шариков), которые в 3D-принтере используются в качестве строительных блоков.
Параллельно шла подготовка биочернил для 3D-принтера. Для того чтобы клетки могли взаимодействовать друг с другом — адаптироваться к трехмерным условиям, делиться, мигрировать — нужно микроокружение. Поэтому ученые создали специфический гидрогель из желатина, фибриногена и нескольких модификаторов, который обеспечил благоприятную среду для функционирования клеток. Полученный гидрогель обладает высокой биосовместимостью. Для создания биочернил его смешали со сфероидами, затем при помощи биопринтера был напечатан конструкт — тканевый эквивалент.
Далее команда сравнила две группы конструктов — напечатанные и смешанные вручную: ученые наблюдали, как различается поведение клеток. Сравнение шло по таким параметрам, как метаболическая активность, жизнеспособность, пролиферативная активность (насколько активно они делятся), а также в каком направлении дифференцируются — то есть превращаются из стволовой клетки в клетку кожи, кости или хряща. Также специалисты отслеживали динамику разрастания клеток и их морфологию — строение и форму.
В ходе работы выяснилось, что напечатанные с помощью биопринтера конструкты обладают рядом преимуществ, так как они показали большую функциональность. Как отмечают авторы статьи, 3D-биопечать обеспечила сфероидам МСК самые оптимальные условия для метаболической активности, прорастания и клеточной миграции.
Другой важный вывод ученых заключается в важности изначально правильного выбора материала для биопечати, так как свойства будущего тканевого эквивалента зависят от исходных клеток. МСК десны (МСК-Д) принимают более вытянутую форму, а МСК жировой ткани (МСК-ЖТ) становятся более распластанными, поэтому МСК-Д больше подойдут для создания сосуда или кости, а МСК-ЖТ — для получения кожных имплантов.
В ходе исследования командой был получен полностью функциональный живой тканевый эквивалент кожи. В будущем его можно будет применять для лечения диабетических и трофических язв, незаживающих ран, ожогов и других дефектов, имеющих затрудненную регенерацию при существующих методах лечения. Кроме того, получение таких биоэквивалентов позволит сократить исследования на животных и сделает технологии регенеративной медицины более этичными.
По словам авторов статьи, несколько российских и мировых научных школ ведут работу в данном направлении. Однако исследования, которое пошагово описало бы получение напечатанной конструкции из двух конкретных типов клеток, пока не было. Результат этой работы позволяет ученым оптимизировать протокол созревания и имплантации биоэквивалента — ускорить и повысить его эффективность. Полученные данные они собираются использовать в дальнейших разработках — получении аналогов хряща, сосуда и кости. Кроме того, данные результаты уже легли в основу междисциплинарного проекта по созданию портативного биопринтера «Биоган» для лечения незаживающих ран, ожогов и других дефектов кожи.
Исследование было выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (22-75-10120, руководитель проекта ведущий научный сотрудник Института регенеративной медицины Сеченовского Университета Анастасия Шпичка).
Ранее научный проект коллектива авторов Сеченовского Университета «Биофабрикация функциональных трехмерных конструктов с помощью биопечати сфероидами», представленный молодым ученым Полиной Бикмулиной, стал финалистом Всероссийского конкурса
