3D-биопечатный каркас ткани поджелудочной железы, изготовленный из коллагена, на который наложены конфокальные флуоресцентные изображения внутренней сосудистой сети (зеленый) и экспрессированного инсулина (пурпурный). Автор: Дэниел Шиварски, доцент кафедры биоинженерии в Университете Питтсбурга и бывший научный сотрудник в лаборатории Файнберга
Исследователи Университета Карнеги — Меллона использовали технологию биопечати FRESH 3D для создания первых микрофизиологических систем на основе коллагена, открывающих новые надежды в лечении диабета 1 типа.
Коллаген широко известен своей ролью в поддержании здоровья кожи, но его важность выходит далеко за рамки этого. Будучи самым распространенным белком в организме человека, коллаген обеспечивает необходимую структуру и поддержку почти всем тканям и органам.
Теперь исследователи из лаборатории Файнберга в Университете Карнеги-Меллона совершили большой прорыв, используя свою новую технологию 3D-биопечати Freeform Reverseble Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH).
- Этот метод позволяет осуществлять точную печать мягких живых клеток и тканей.
- Используя эту технологию, команда успешно создала первую в мире микрофизиологическую систему, также известную как модель ткани, полностью сконструированную из коллагена.
Это достижение открывает новые возможности для изучения болезней и разработки тканевой терапии, включая потенциальные методы лечения таких состояний, как диабет 1 типа.
Традиционно, мелкомасштабные модели человеческой ткани, называемые микрофлюидикой, устройствами «орган-на-чипе» или микрофизиологическими системами, изготавливались с использованием синтетических материалов, таких как силиконовая резина или пластик.
Эти материалы были необходимы из-за ограничений в более ранних производственных технологиях. Однако, поскольку они не являются биологически нативными, они не могут полностью воспроизводить естественную тканевую среду, что ограничивает их эффективность в биомедицинских исследованиях и терапевтических разработках.
«Теперь мы можем создавать микрофлюидные системы в чашке Петри полностью из коллагена, клеток и других белков с беспрецедентным структурным разрешением и точностью», — пояснил Адам Файнберг, профессор биомедицинской инженерии и материаловедения и инженерии в Университете Карнеги — Меллона. «Самое главное, что эти модели полностью биологические, что означает, что клетки функционируют лучше».
Создание сложных тканей с помощью биопечати FRESH
В новом исследовании, опубликованном в Science Advances, группа демонстрирует использование этого достижения биопечати FRESH, создавая более сложные васкуляризированные ткани из полностью биологических материалов, чтобы создать ткань, подобную поджелудочной железе, которую потенциально можно было бы использовать в будущем для лечения диабета 1 типа. Это достижение в биопечати FRESH основывается на более ранней работе команды, опубликованной в Science, за счет улучшения разрешения и качества для создания жидкостных каналов, которые похожи на кровеносные сосуды, вплоть до диаметра около 100 микрон.
«Было несколько ключевых технических разработок в технологии печати FRESH, которые позволили эту работу», — рассказал Дэниел Шиварски, доцент кафедры биоинженерии в Университете Питтсбурга и бывший научный сотрудник лаборатории Файнберга. «Внедрив одноэтапный процесс изготовления биопечати, мы изготовили перфузируемые ЧИПС на основе коллагена в широком диапазоне конструкций, которые превосходят разрешение и точность печати любого другого известного на сегодняшний день подхода к биопечати. Кроме того, в сочетании с многокомпонентной 3D-биопечатью белков ВКМ, факторов роста и биочернил с клеточным наполнением и интеграцией в индивидуальную платформу биореактора мы смогли создать конструкцию ткани, подобную поджелудочной железе, размером в сантиметр, способную производить стимулированное глюкозой высвобождение инсулина, превосходящее текущие подходы на основе органоидов».
В настоящее время эта технология коммерциализируется компанией FluidForm Bio, спин-оффом Университета Карнеги-Меллона, где соавтор доктор Эндрю Хадсон, директор по тканевой терапии, и его команда уже продемонстрировали на модели животных, что они могут вылечить диабет 1 типа in vivo. FluidForm Bio планирует начать клинические испытания на людях в ближайшие несколько лет.
Важность сотрудничества и будущие направления
«Чрезвычайно важно, чтобы каждый понимал важность командной работы ученых в разработке этих технологий и ценность, которую разнообразные знания, от биологии до материаловедения, привносят как в проект, так и в наше влияние на общество», — пояснил Файнберг.
«В будущем вопрос не в том, сможем ли мы это построить? Скорее в том, что мы построим? Работа, которую мы делаем сегодня, заключается в том, чтобы взять эту передовую производственную возможность и объединить ее с вычислительным моделированием и машинным обучением , чтобы мы могли лучше понять, что нам нужно печатать. В конечном счете, мы хотим, чтобы ткань лучше имитировала интересующее нас заболевание или, в конечном счете, имела правильную функцию, поэтому, когда мы имплантируем ее в тело в качестве терапии, она будет делать именно то, что мы хотим».
Файнберг и его коллеги стремятся выпускать проекты с открытым исходным кодом и другие технологии, которые позволят широкое внедрение в исследовательском сообществе. «Мы надеемся, что очень скоро другие лаборатории в мире примут и распространят эту возможность на другие области заболеваний и тканей», — добавил Файнберг. «Мы рассматриваем это как базовую платформу для создания более сложных и васкуляризированных систем тканей».