3D-биопринтер напечатал ухо сквозь кожу мыши

Ученые создали 3D-биопринтер, который может печатать полимерные формы с живыми клетками сквозь различные ткани, полимеризуя биосовместимую матрицу с помощью инфракрасного света. Главное преимущество такого принтера — неинвазивность: чтобы напечатать полимерную деталь, необходимо лишь ввести в нужное место раствор-заготовку. В основе технологии лежат двухслойные наноинициаторы — их внутренняя часть поглощает инфракрасный свет и излучает ультрафиолетовый, а внешний слой под действием ультрафиолета запускает полимеризацию. Авторам статьи, опубликованной в журнале Science Advances, удалось напечатать под кожей живой мыши структуру в форме уха, а также заживить закрытую рану с помощью заплатки со стволовыми клетками.

3D-биопринтеры печатают трехмерные конструкции из биосовместимых материалов с живыми клетками, таким образом получают ткани и органы для трансплантации. У этой технологии есть большой потенциал в восстановительной хирургии, однако ее применение ограничено необходимостью инвазивной работы на открытых тканях и травмах. Чтобы открыть доступ к внутренним травмам, необходимо повредить окружающие ткани, поэтому предпочтительны неинвазвные методы; нужны они и в пластической хирургии.

Относительно неинвазивная биопечать возможна при фотополимеризации, когда жидкий материал затвердевает под действием света. Ультрафиолетовый и синий свет используют для печати тканей и органов, однако излучение в этом диапазоне не проникает глубоко в ткани. Альтернативной технологией может стать полимеризация под действием инфракрасного света — он проходит сквозь живые ткани и уже используется для контролируемого высвобождения лекарств, 3D визуализации и оптогенетики.

Ученые из Бельгии, Китая и США под руководством Малин Гоу (Maling Gou) из Сычуаньского университета создали технологию 3D-биопечати на основе фотополимеризации в ближнем инфракрасном диапазоне. Устройство с системой микрозеркал направляет луч лазера сквозь кожу и запускает полимеризацию мономерных биосовместивых чернил в нужной точке. Наноинициаторы реакции собирают из двух слоев: внуренняя часть частиц поглощает инфракрасный свет и испускает его в ультрафиолетовом диапазоне, а наружный слой состоит из фотоинициатора, который поглощает весь ультрафиолет и полимеризует мономеры в гидрогель.

Для начала с помощью системы напечатали различные гидрогелевые фигуры, в том числе сквозь кожу мыши или мышечную ткань свиньи толщиной 0,5 миллиметра и даже in vivo через кожу живой мыши. В последнем случае перед печатью животным подкожно вводили раствор мономеров, а в течение недели после процедуры оценивали состояние окружающих тканей.

Как напрямую, так и через живые ткани in vitro или in vivo удалось напечатать фигуры разнообразных форм. За неделю гидрогелевая конструкция, напечатанная под кожей мыши, не вызвала повреждения или воспаления окружающих тканей.

Авторы работы предположили, что технологию можно использовать для восстановления ушной раковины при ее дефектах (врожденных или полученных в результате травмы). Искусственное человеческое ухо с живыми клетками напечатали in vitro, а затем технологию опробовали на мышах. Для воспроизведения правильной формы здоровую копию уха отразили зеркально. Затем в мономерный раствор добавили хондроциты (клетки хряща) и сквозь кожу полимеризовали его в форме уха. Выживаемость клеток оценили через семь дней с помощью флуоресцентного окрашивания живых хондроцитов, а затем структуру такой же формы напечатали под кожей живой мыши.

В культуре внутри искусственного уха через семь дней осталось в живых больше 80 процентов хондроцитов. In vivo же подкожное гидрогелевое ухо сохранило свою форму в течение месяца, а хондроциты выжили в полимерных лакунах и выделяли коллаген.

Наконец, 3D-биопечать применили для залечивания закрытых травм с повреждением мягких тканей. Для этого внутри закрытой раны мышечной ткани напечатали полимерный скелет из раствора со стволовыми клетками жировой ткани. Через 10 дней ученые проанализировали заживление раны и формирование мышечной ткани по сравнению с контрольными животными, травмы которых никак не лечили.

Рана, в которой напечатали подходящую по форме гидрогелевую заплатку со стволовыми клетками, за 10 дней затянулась на 80 процентов, а у контрольных животных — лишь на 40 (p < 0,05). Мышечная ткань у мышей экспериментальной группы восстановилась значительно лучше, чем в контрольной. Авторы работы резюмировали, что после дополнительных исследований созданная ими технология найдет широкое применения в медицине, от исправления дефектов органов до заживления ран.

3D-биопринтеры работают даже в космосе — такое устройство, которое создали в России и приспособили к работе в невесомости, печатает ткани на Международной космической станции. Про другие «космические» 3D-принтеры мы писали в материале «В космос со своим принтером».

Алиса Бахарева