Биопринтер-эндоскоп напечатал живыми клетками на стенке модели желудка

Китайские ученые создали прототип биопринтера, который может лечить дефекты стенки желудка, печатая на ней изнутри «заплатки» гидрогелями, содержащими клетки соответствующих тканей. Он доставляется внутрь желудка по пищеводу подобно эндоскопу, а затем раскрывает сложенные части и начинает наносить слои гидрогелей. Авторы разработки показали работу биопринтера на модели желудка, напечатав на ее внутренней поверхности слои из клеток эпителия и гладкой мускулатуры. Статья опубликована в журнале Biofabrication.

Биопринтеры — это устройства, которые могут создавать объемные конструкции из материалов, содержащих в себе живые клетки человека или других животных, чтобы впоследствии они превратились в полноценные фрагменты ткани. Пока до печати полноценных органов — своей конечной цели — эта технология, однако, далека. Одна из проблем, которая мешает созданию искусственных органов или их фрагментов, заключается в том, что для лечения дефектов внутренних органов необходимо проводить инвазивные операции.

Недавно группа ученых из Бельгии, Китая и США нашла оригинальное решение этой проблемы. Они разработали метод, позволяющий вводить жидкую заготовку под кожу, а затем отверждать ее с помощью инфракрасного излучения. Метод предварительно показал неплохие результаты, но его можно использовать только на тканях, расположенных неглубоко под кожей.

Вэньсян Чжао (Wenxiang Zhao) и Тао Сюй (Tao Xu) из Университета Цинхуа создали 3D-биопринтер, который можно использовать даже в желудочно-кишечном тракте без хирургических надрезов тканей. По принципу работы он похож на эндоскоп, но с гораздо более широкой трубкой диаметром три сантиметра. Это больше, чем у применяемых сегодня эндоскопов, но диаметр ограничен только на конце, где располагается сам принтер, а в остальных частях, где расположены только несколько кабелей и трубка, его можно сделать намного меньше.

Принтер на конце трубки имеет конструкцию дельта-робота: он состоит из трех соединенных на конце частей, между которыми расположена трубка для подачи гидрогеля. Принцип работы дельта-робота заключается в том, что каждая из трех секций управляется одним простым мотором в основании, но вместе они могут двигать конец в произвольном направлении. В принтере на конце дельта-механизма установлено сопло для печати. Во время печати секции механизма частично выходят за диаметр трубки, но на время ввода аппарата в пищевод они могут складываться.

Гидрогель для печати состоит из водного раствора желатина и альгината натрия, а также добавляемых в него клеток нужного типа. Авторы создали два типа «чернил» для печати: с клетками желудочного эпителия или с клетками желудочной гладкой мускулатуры в концентрации 1,5 × 10^-6 клетки на миллилитр.

Исследователи испытали принтер на модели человеческого желудка из полимера, созданного на основе КТ-снимков желудка. Принтер печатал решетчатую структуру из двух слоев, повторяющих расположение тканей в желудке. Нижний слой напечатали гелем с мышечными клетками, а верхний клетками эпителия. После этого принтер подавал через сопло хлорид кальция, действующий как связывающий агент.

После печати исследователи проверили выживаемость клеток сразу после нанесения, а также через три, семь и десять дней. Они использовали для этого два вещества, одно из которых поглощают живые клетки и формируют вещество с зеленой флуоресценцией, а второе проникает через мембраны мертвых клеток, связывается с их ДНК и флуоресцирует красным цветом.

Анализ напечатанных тканей показал, что в первые дни выживаемость составила около 94 процентов, и лишь после десяти дней немного снизилась, при этом все равно оставшись на уровне выше 90 процентов. Кроме того, клетки активно делились, пролиферировали и меняли свою морфологию. Таким образом, при испытании на модели желудка метод оказался успешным. В дальнейшем ученые будут пытаться повторить результаты в реальных условиях.

Печать живыми клетками проводится не только на Земле, но и в космосе. Недавно российские ученые подвели итоги эксперимента по печати тканевых конструктов на МКС, который был проведен в конце 2018 года. Результаты показали, что в условиях невесомости можно создавать конструкты с соединенными клетками и высоким уровнем выживаемости.

Григорий Копиев