3D-биопечать: революция в тканевой инженерии и регенеративной медицине

3D-биопечать погрузилась в XXI век. Завораживающая идея — печатать человеческие ткани аддитивным производством.

Можно сказать: выдающийся шаг в регенеративной медицине и тканевой инженерии.

За последние десятилетия технология использовалась для создания функциональных тканевых конструкций, имитирующих человеческие ткани.

3D-биопечать может завершить долгие процессы животных и клинических испытаний лекарств на людях.

Плюс, может стать решением дефицита органов при трансплантации, склонной к провалу из-за отторжения тканей. Прорыв прекратит отчаянное положение с донорством органов во всем мире. Всё, что нужно знать о 3D-биопечати.

Что такое 3D-биопечать?

Аддитивное производство расширило применение в органной инженерии. Процесс включает построение органа или ткани слой за слоем (один слой за другим). Использует снизу-вверх подход 3D-печати.

Слой-за-слоем подход обеспечивает размещение первичных клеток, бионических и других материалов специфическим образом, имитирующим типичную клеточную архитектуру.

Процесс приводит к синтезированной ткани или органу с нормальной функциональностью и структурой сложной естественной ткани.

В 3D-биопечати печатают биомолекулы и клетки на субстраты для формирования специфического паттерна, удерживающего конструкцию как требуемую 3D-форму. Важно: 3D-биопечать использует живые человеческие стволовые клетки, ткани и др.

Следовательно, нужно соблюдать модальности живых тканей: биосовместимость клеток и материалов, чувствительность клеток к материалам и методам печати, перфузия, доставка факторов роста.

Почему биопечатанные ткани могут заменить животных и людей в доклинических испытаниях

Процесс биопечати автоматизирован. Автоматизация обеспечивает точные клеточные паттерны и контролируемую внеклеточную коммуникацию и организацию.

Слой-за-слой фабрикация биосинтезированной ткани гарантирует, что напечатанная ткань имеет взаимосвязанные поры.

Поэтому биопечатанная ткань/орган с улучшенной межклеточной и внутриклеточной коммуникацией идеальна для in vivo человеческой физиологии.

Эта особенность сделает синтетическую ткань лучше, так как помогает в данных доклинических испытаний, а животные ткани могут недостаточно предсказывать человеческую патофизиологическую реакцию.

Как работает 3D-биопечать?

В теле ткани повреждаются и дегенеративны ежедневно. Но регенеративные способности тканей могут быть недостаточны для частых травм: аварии, сердечные заболевания.

Со временем лечение зависит от трансплантации тканей или органов. Весь процесс рискует иммунным ответом или отторжением пересадки.

В решении двух проблем 3D-печать приходит на помощь.

Зачем? Потому что нужен орган, цель регенеративной медицины через 3D-биопечать — обеспечить ваши стволовые клетки органом/тканью, которой вам не хватает. Тогда у вас будет идеальная ткань, не привлекающая аутоиммунные ответы.

Концепция 3D-биопечати включает принципы материаловедения и человеческой биологии для синтеза тканей и органов.

Главный фокус — восстановление поврежденных органов/тканей: цирроз печени, сердечная недостаточность. Идея вращается вокруг эмуляции родной биологической сложности ткани → дифференциация стволовых клеток → регенерация ткани.

Зачем 3D-биопечать вместо обычного донорства?

В обычном донорстве процесс, ведущий к отторжению ткани/органа, результатирует из клеточных формирований и межфазного соединения, среди прочего. Влияют факторы роста: сосудистые эндотелиальные факторы роста.

Процесс 다소 случаен и не позволяет кастомизированное распределение внеклеточных матриц или клеток. Менее эффективен и затратен по времени. С экономической и логистической точек зрения — непрактичность пересадки для клинического применения.

Аддитивное производство помогает исследовать тканевую инженерию через сверху-вниз подход в 3D-биопечати.

Управляемая природа депозиции материи помогает производить точные геометрии, анатомически точные с помощью CAD.

Какова цель трехмерной биопечати?

По Allevi 3D printers, более 120 000 граждан США нуждаются в донорстве органов.

Несчетные пациенты с хроническими и терминальными состояниями из-за пострасаплантационной иммуносупрессии и долгосрочных повреждений.

Рост давности и потребности в альтернативах трансплантации. Аддитивное производство помогло научному и медицинскому сообществу составить междисциплинарные команды исследователей, инженеров, врачей для вызовов человеческого здоровья.

3D-биопечать — инструмент, обещающий устранение списков ожидания органов и тканей. В фармацевтической разработке — быстрый и менее затратный способ биологически релевантных клинических испытаний на животных и людях.

Устройство помогает хирургам соединять вены, снижая осложнения. 3D-печать также облегчает системы доставки лекарств.

Удивительно, дальнейшая эволюция 3D-биопечати сделает костную тканевую инженерию, кожные ткани, сердечные ткани, органные заплатки или полную замену органа стволовыми клетками пациента.

Цель 3D-печати — дать врачам и исследователям лучший инструмент для целевого лечения с улучшенными результатами.

Когда изобретена 3D-биопечать?

Вопрос возвращает нас к ранним 1900-м: матричные принтеры.

3D-принтеры для осязаемых объектов из данных Чарльза Халла стали базой для всех хоббистов и инженеров печати разных объектов, включая ткани и здания.

Однако 3D-биопечать началась в 2000 г., когда кто-то создал протезы и имплантаты, почти соответствующие характеристикам пациента. Медицина приняла небиологические использования 3D-печати и анатомическое моделирование.

В 2003 Томас Боланд сделал первый 3D-биопринтер для печати живой ткани с биочернилами из биосовместимых веществ. После прорыва 2003 г. — успешная имплантация первой лабораторной человеческой мочевой пузыря 2006 г. и биопечать первого кровеносного сосуда 2009 г.

Процедура 3D-биопечати

Стратегии 3D-биопечати вращаются вокруг точного слоения материалов. Процесс включает фазы подготовки, печати и пост-обработки.

В фазе подготовки: проектируют 3D-модели компьютерной графикой. Модели должны быть анатомически точными.

Выбирают биочернила. Выбор означает: определяете мышечную ткань или структуру, выбираете правильные материалы, включая млекопитающие клетки, эндотелиальные клетки или другие нужные типы клеток.

Второй шаг — выбор аддитивных материалов, последний — созревание отфабрикованных структур.

Техники биопечати

Биопечать можно проводить без каркаса (scaffold-free) или на каркасе (scaffold-based).

На каркасе: матрица — субстрат производственного процесса. Биоматериальная матрица паттернит биочернила. Можно использовать клетконесущую гидрогель, пленку или нановолокно.

Важно: биологическая конструкция должна точно имитировать типичную внеклеточную матрицу. Это позволяет клеткам биоконструкций расти и размножаться.

Без каркаса: депозиция тканевых и клеточных агрегатов как сфероидов, цилиндров, сот и т.д. Второй процесс: помещают тканевые сфероиды в пипетки, затем депозитируют пипетку в ограниченное пространство 3D-биопринтера формой экструзии.

Затем клетки формируют свою клеточную матрицу → созревание ткани → устраняют форму.

Недостатки 3D-биопечати

• Риск загрязнения в непрерывной струйной биопечати: биочернила, не отклоненные в субстрат, рециркулируют в принтер. Рециркуляция может привести к загрязнению.
• Нехватка компонентов биопечати: неадекватное ПО не может определять биологические молекулы, биоматериалы, размещение клеток. Тормозит операции.
• Деформация каркаса: новые ткани могут провалиться без механической/структурной поддержки. Нужно производить стабильные 3D-конструкции.

Сколько типов биопечати существует?

Несколько 3D-печатающих техник для фабрикации и селективного паттернинга внеклеточной матрицы:

• Струйная печать (Ink-jet)
• Экструзионная печать (Extrusion)
• Лазерно-ассистированная биопечать (Laser-assisted)
• Стереолитографическая биопечать (Stereolithographic)

Струйная трехмерная биопечать (Inkjet Based)

Использует биочернила и живые клетки на биобумаге. Биочернила — биоматериальная суспензия с низкой вязкостью, биобумага — биоматериальные субстанции: полимерные конструкции, культурная чашка, гидрогель-субстрат.

Два способа. Первый — непрерывная струйная печать. Создаете непрерывный поток капель под давлением на биочернилах. Давление выталкивает чернила.

Затем применяют электрическое поле, отклоняющее поток биочернил в субстрат. Жлоб собирает лишние капли, не выстроившиеся в поток, для повторного использования.

Второй — капля по требованию (drop-on-demand). Действие похоже, но капли производятся по требованию. Применяете импульсное давление вместо непрерывного.

Лазерный прямой перенос (Laser Forward Transfer)

Лазерно-индуцированный прямой перенос использует лазерные пучки для депозиции биочернил на субстраты. Метод предлагает бесконтактный процесс записи для 3D-печати.

Три жизненных элемента: лазерный источник (пульсирующий), биочернило-покрытая лента, реципиент-субстрат. Можно использовать УФ-лазер с наносекундным импульсом как источник энергии.

Изначально LIFT использовал высокоэнергетический лазерный импульс для нанесения металлических признаков на прозрачный субстрат прямым депозированием. Техника расширилась как AFA-LIFT.

Пленочно-ассистированный (LIFT) для биопечати (Absorbing Film-assisted)

Включают металлический лазер-абсорбирующий слой на интерфейсе биочернил и ленты. Слой выступает жертвенным, защищая клетки от воздействия лазера.

В технике можно напрямую печатать клетки на внеклеточную матрицу. Также можно печатать их как инкапсулированные части в процессе печати.

Экструзионная биопечать (Extrusion Based Bioprinting)

Два способа: давление-ассистированная биопечать и прямое чернильное письмо (Direct Ink Writing). DIW — пневматическая экструзия, где 3D-биопринтер экструдирует материалы, генерируя слой-за-слоем 3D-архитектуры.

В давление-ассистированной печати индуцируют поток приложением стресса выше предельной текучести аппарата. Освобождают сдвиговый стресс, биочернила восстанавливают жесткость после нанесения на субстрат.

SLA 3D-биопечать

SLA биопечать зависит от высоты биосовместимых материалов, а не их сложности.

Техника строит сложные ткани слой за слоем добавлением материалов и проекцией света. Проецируют свет на фоточувствительные и термоотвердевающие биочернила.

Фоточувствительность — требование для биоматериалов, так как техника использует свет как агента перекрестного связывания. Нужно включать фотоотвердеваемые моети вроде PEG-дериватов.

Здравоохранение включает SLA биопечать в методы визуализации: МРТ и КТ для диагностических протезических улучшений.

Сектор использует для сложных операций. SLA биопечать имеет две категории: многофотонные и однофотонные методы печати.

Кто может выиграть от 3D-биопечати?

Органная и тканевая биопечать требует лет исследований. Но можно предвосхитить, кто больше выиграет. Области применения:

• Биопечать кожных тканей
• Биопечать костных тканей
• Биопечать хрящевых тканей
• Биопечать сердечных тканей

Что такое 3D-биопечать тканей и органов?

Биопечать кожных тканей

Человеческая кожа сложна с аксессуарными структурами: сальные железы, потовые железы, волосы, ногти. Разные типы клеток и нервные окончания. Коллагеновая ткань отвечает за эластичность кожи.

3D-биопечать может напечатать человеческую кожу, придавая необходимые механические свойства созданием всех свойств в четыре этапа. Первая фаза — подготовка: получение стволовых клеток кожи из биопсии и расширение в культуре для биочернил.

Второй шаг — печать, пост-обработка: клетки размножаются и созревают.

Финал — характеристика и оценка функции кожной ткани. Кожная биопечать пойдет далеко для людей с раком кожи, болезнями кожи, ожогами, проблемами старения и морщин.

Биопечать сердечных тканей

Сердечно-сосудистые заболевания продолжают вызывать смертность. Состояния: القلب arrest, инфаркт миокарда, сердечная недостаточность, стенокардия, кардиомиопатия и др. Артерии и вены показывают хронические состояния: стеноз.

Грустная новость: кардиомиоциты невосполнимы — нет авторегенерации или ремонта. Их непрерывная смерть увеличивает рост коллагеновой ткани, риск кардиомиопатии. С такими состояниями сложно найти кардиального донора.

Но с 3D-биопечатью эти состояния станут управляемыми. Сердечная биопечать сложна из-за сложности сердечной мышцы, особенно достижения её авторитмичной природы.

Биопечать хрящевых тканей

Хрящ — гладкая белая ткань, покрывающая концы костей. Сложная структура из протеогликанов, коллагена, белков.

Выдающиеся черты: хрящ аваскулярен, нервная и лимфатическая системы не достигают его.

Поэтому при постоянных травмах риск остеоартрита или нарушения функций. Тканевая инженерия сейчас рассматривает распределение биологических факторов через депозицию полиэтилена и хондроцитов в хрящевой биопечати.

Биопечать костных тканей

Костная ткань — высоковаскуляризованная и структурно сложная. Остеодегенеративные и переломы костей могут приводить к травмам и хроническим дефектам.

Нефункции и дефекты требуют костной регенерации для восстановления поврежденной ткани.

Костная тканевая инженерия использует гидрогели. Но гидрогели неспособны формировать минерализованную костную матрицу.

Биопечать костной ткани обещает лучшие результаты в контролируемой химии и поддержании формы целостности ткани.

Какие материалы можно использовать в биопечати?

Чернила должны обладать желаемыми биохимическими свойствами для депозиции в специфические паттерны. Почему?

Потому что биочернила облегчают взаимодействия внеклеточной матрицы и пролиферацию/рост клеток. Также чернила должны быть биосовместимы для поддержки морфологии желаемой ткани.

Для сердечных и кожных тканей — похожие биочернила. Можно выбрать натуральные полимеры: коллаген, желатин, альгинат, гиалуроновая кислота.

Если предпочитаете синтетические: полилактический-ко-гликолическая кислота, поликапролактон, полиэтиленгликоль. Плюс смеси синтетических и натуральных биоматериалов.

При выборе биочернил для костной ткани: учитывайте специализацию клеток, функциональность, цитосовместимость.

Можно использовать желатин, гидрок시아патит; желатин для подготовки, гидроксияпатит — чтобы напечатанная конструкция имитировала естественную костную ткань.

Подведение итогов

3D-биопечать — инструмент, обещающий революционизировать медицину. От сердечной тканевой инженерии до напечатанных костных структур — 3D-печать поможет решить грандиозные вызовы здоровья человека.

В заключение: эти применения тканевой инженерии в сердечной мягкой ткани, сосудах, хрящевой ткани и др. помогут решить списки ожидания донорства и улучшить здоровье.

Предвидим переход от конвенциональной клеточной биологии к передовой медицине с трехмерными тканями и органами очень скоро.