Нова технология за 3D принтиране на бял и черен дроб с помощта на хранителна боя

Общият брой на направените трансплантации по света за 2018 г. е едва 146 840, макар нуждаещите се да са в пъти повече. Това кара учените през последните две десетилетия да търсят начини за създаване на нови черен дроб, бял дроб, сърце или бъбрек. Една от технологиите за изработване на тези толкова деликатни структури е 3D принтирането с помощта на биологично съвместими материали, или така нареченото биопринтиране. Последното постижение на екип от експерти от Вашингтонския университет е създаването на функционални модели на бял и черен дроб, като за целта те използват една нестандартна съставка: обикновена хранителна боя.

Най-сериозното предизвикателство за принтерите на органи се оказват именно най-сложните сред тях, каквито са белият и черният дроб. Те имат много сложни физически и биохимични мрежи от кръвоносни съдове и дихателни пътища (при белия дроб) и от жлъчни пътища (при черния дроб). Пресъздаването на същата мрежа от кръвоносни съдове и осигуряване на нормално движение на течностите – кръв и други, все още затруднява учените.

Прожекционна стереолитография при 3D принтиране на органи

Екип от Вашингтонския университет и университета „Rice“ успява да разработи функционални модели с помощта на 3D принтираща технология, известна като прожекционна стереолитография (SLA). При този метод тънки слоеве течна смола се облъчват със синя светлина, което води до тяхното втвърдяване до състояние на хидрогел, състоящ се от преплетени нишки полимерни молекули. Той играе ролята на „скеле“ за основната структура на органа, в което специалистите имплантират живи клетки. Благодарение на тях „скелето“ в даден момент започва да функционира като бял или черен дроб.

За първи път експертите успяват да съхранят и запазят живи имплантираните клетки, а получените модели поемат функцията на истинския орган. Самото изследване е публикувано на страниците на списание „Science.“

Антъни Атала, директор на института по регенеративна медицина „Wake Forest“ и член на екипа, разкрива: „Това определено е голяма стъпка напред в 3D принтирането на органи, които да се доближават максимално по структура и функция до реалните.“

Скоростта на 3D принтиране спасява живите клетки

Основната технология, на която се базира прожекционната стереолитография, датира от 80-те години на миналия век, но по думите на Джордан Милър, асистент по биоинженеринг към училището по инженеринг „Brown“, „тогава биологията като аспект не е взета под внимание, а се е прилагала основно за целите на пластичната хирургия.“

С новата технология могат да се създадат много по-фини слоеве от тези при стандартното 3D принтиране, а и процесът е значително по-бърз.Според Милър „така се спестяват минутите за изграждането на само един слой с помощта на специален процес, наречен „екструзия“, което чрез стереолитография се случва за броени секунди.“

Скоростта е от съществено значение при създаването на орган, тъй като принтираната структура трябва да начертае пътищата, по които кислородът и хранителните вещества да достигнат самите клетки. Ако крайният резултат бъде постигнат по-бързо, много по-малък брой клетки ще загинат, чакайки да получат жизненоважните за тях кислород и нутриенти.

Заместване на вредните химикали с водоразтворими и безопасни

Точно тук инженерите се сблъскват със следващото голямо предизвикателство. Специфичният процес на прожекционна стереолитография (SLA) разчита основно на фотореакторни химикали, които реагират на светлина. Предварително се залага кои области с течност трябва да се втвърдят и кои – да останат меки, така че да могат да се отмият на по-късен етап. За съжаление, много от въпросните химикали са канцерогенни. За да може един 3D принтер да изработи така фината и изключително сложна мрежа от кръвоносни съдове, с която да се гарантира доставянето на кислород и хранителни вещества, както и пречистването на клетките от отпадъчния материал, се изисква високата прецизност на стереолитографията (SLA). Проблемът се крие в това, че ако се принтират органи за трансплантация, трябва да се използват само безопасни и водоразтворими химикали.

Хранителна боя вместо опасни химикали?

Милър и екипът му решават да заместят токсичните химикали с безвредни. Заедно те спират избора си на обикновената хранителна боя, защото тя може да абсорбира правилните дължини на вълните на светлината, а и е биосъвместима и напълно безопасна. От нетърпение да проверят дали са прави в разсъжденията си, те купуват най-обикновена сладкарска боя от близкия хранителен магазин.

И разбират, че са на прав път. Инженерите оцветяват с жълта боя, или тартразин, течните полимери, след което настройват посоката на синята светлина от проектора към тях. Те наблюдават локална химична реакция, която води до втвърдяване на течността. Предварително зададените настройки целят да се образува едновременно много тънка, но и устойчива биологична структура. Милър признава: „Крещяхме от радост, защото сама по себе си идеята е толкова проста, лесноосъществима, но и гениална. Боята ни позволи да изградим една изключително сложна по своя характер структура.“

Жълтата хранителна боя, използвана в много от пакетираните снаксове, има още едно категорично предимство: отмива се лесно от биопринтираните структури, като оставя ясни контури около местата, които учените да запълнят с каквито преценят живи клетки. Изследванията до този момент не откриват доказателства, че остатъците от боя биха могли да навредят на здравето на човешките клетки.

Предишни проучвания върху тартразина сочат, че тя не се отразява по никакъв начин на броя на сперматозоидите, както се твърдеше. В тях обаче се предупреждава, че боята може да влоши състоянието на деца, диагностицирани с хиперактивност.

Тест за издържливост

Не за първи път експерти успяват да биопринтират тъкани, но досега не са успявали да запазят клетките в тях живи достатъчно дълго време. Вашингтонският екип е изправен пред същата задача и като за начало насочва вниманието си към червените кръвни клетки.

Учените правят макет на въздушен сак, който наподобява до голяма степен важна част от заплетената мрежа от кръвоносни съдове на белия дроб. Макетът включва канал, по който да преминава кислородът, както и отделни пътища за кръвните клетки.

В здравия бял дроб обикновено двата вида канали обменят кислород, без дори да се допират. Биоинженерите се стремят да се доближат максимално до функцията на истинския бял дроб, надявайки се така да запазят живи имплантираните клетки. За щастие, самата структура се оказва достатъчно устойчива на свиването и издуването, характерни по време на дишане.

Биопринтиране на черен дроб

Следващата стъпка в проучването е да се биопринтира черен дроб. За целта в принтираната структура се инжектират клетки от черен дроб. Специалистите имплантират изкуствената чернодробна тъкан в жива лабораторна мишка с хронично чернодробно заболяване и в здрава мишка. След това животните са подложени на изследвания.

Напълно функциониращият черен дроб има над 500 различни функции, но в случая екипът се съсредоточава върху разглеждането само на една от тях. Резултатите показват, че черният дроб работи нормално, тъй като имплантираните хепатоцити не умират.

Новият метод на биопринтиране е напълно приложим и при създаване на работещи интраваскуларни клапи, които са много важни за вените на сърцето и долните крайници. Те запазват формата и целостта си след преминаването на течностите през тях и същевременно не им позволяват да се върнат обратно.

Какво предстои оттук нататък

Въпросът, който всеки, запознат с биопринтирането, си задава вероятно е: Кога подобен вид органи биха могли да се използват за пациенти, чакащи трансплантация?

• Учените все още са изправени пред много неизвестни:
• Какво да бъде оптималното количество и състав на хидрогела?
• Кой е най-подходящият вид протеини?
• Могат ли да се използват помощни вещества, които да ускоряват растежа и самия процес?

Съавторът Кели Стивънс, асистент по биоинженеринг във Вашингтонския университет, пояснява: „Вече можем да започнем да разиграваме различни варианти с факторите, за да преценим как повлияват те на клетките. След това трябва да поработим върху усъвършенстването на основната конструкция, „скелето“, и да изчислим колко материал ще ни е необходим, за да заменим реалния човешки орган. За първи път стигаме до етап, в който да си задаваме точно тези въпроси.“

Екипът споделя своето научно откритие с останалите биоинженери, за да могат и други да тестват своите приложения. Според Антъни Атала широката достъпност до данни и новости в областта на биопринтирането дава по-голям шанс за постигане на бърз напредък.

Милър добавя, че всеки учен е свободен да избере вида принтер и мастилата, които да използва, и споделя: „Истински сме развълнувани, че поставихме ново начало и разкрихме нови хоризонти в това - така важно, направление на науката. Биопринтирането има потенциала да спаси живота на стотици хиляди пациенти, включени в списъците за трансплантации.“