Исследователи использовали древнюю технику литья для 3D-печати сосудистых моделей с живыми клетками

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) остаются одной из ведущих причин смертности в мире. Существует острая необходимость в улучшенных анатомически и биологически сосудистых моделях для углубления понимания прогрессирования болезней, что может привести к разработке новых терапевтических методов.

Хотя ученые традиционно полагаются на модели животных для изучения патофизиологии ССЗ и разработки лекарств, эти модели ограничены в способности предсказывать токсичность для человека. «Учитывая различия в молекулярных, клеточных и физиологических механизмах между животными и людьми, модели животных не обязательно дают нам точное понимание физиологии человека», — пояснил автор-корреспондент, доцент И-Чин То из Технологического университета Квинсленда (QUT).

Для создания более релевантных для человека моделей ученые обращаются к инженерии тканей с использованием живых человеческих клеток. «Чтобы определить ключевые клеточные и молекулярные факторы, влияющие на физиологию и патофизиологию человека, в области тканевой инженерии используются живые человеческие клетки для создания искусственных моделей с определенным составом на клеточном, тканевом и органном уровнях», — объяснил профессор То.

Одна из технологий, используемых в тканевой инженерии, — 3D-биопечать, когда живые клетки смешивают с биочернилами и осаждают определенным образом для воссоздания микроокружения нативных органов. Однако воспроизвести сложность органов с помощью современных методов биопечати все еще сложно из-за технологических ограничений.

Одна из трудностей — воссоздание сложности кровеносных сосудов. Сосуды имеют иерархическое ветвление и многослойную структуру, каждый слой которой состоит из разных типов клеток.

«Биочернила должны выполнять двойную функцию: поддерживать живые клетки и обеспечивать структурную целостность сосудистой конструкции. Существующие биочернила, подходящие для живых клеток, обычно мягкие и хрупкие, что затрудняет прямую 3D-печать сложной архитектуры сосудов», — сказал главный исследователь, доцент Мичинао Хашимото из Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD).

Команда разработала метод изготовления, вдохновленный древней техникой литья. 3D-печать использовали для создания форм для сосудистых сетей. Однако, в отличие от обычного литья, команда применила уникальный подход к отверждению.

Техника включала использование двухкомпонентной 3D-печатной формы из гидрогелей поли(этиленгликоль)диакрилата (PEGDA). Гидрогель PEGDA был выбран потому, что он может вести себя как губка, впитывая ионы кальция, ответственные за сшивание выбранных биочернил.

Когда биочернила, содержащие альгинат, прокачивали через полость формы, ионы кальция внутри формы диффундировали в полость. Эта диффузия вызывала быстрое ионное сшивание альгината в биочернилах, формируя трубчатую конструкцию.

«Мы можем эффективно контролировать толщину стенки сосуда, изменяя время удержания биочернил в полости формы. Затем мы можем прокачать буферный раствор через форму для удаления несшитых биочернил», — сказал ведущий автор, аспирант SUTD Терри Чинг.

Используя эту технику, исследователи успешно создали автономные, разветвленные, многослойные и перфузируемые сосудистые сети. «Важно, что мы смогли смешать другие биоактивные материалы с биочернилами, чтобы сделать микроокружение более подходящим для человеческих сосудистых клеток», — добавил Чинг.

Команда включила в конструкцию соответствующие сосудистые клетки в конфигурации, сходной с in vivo. Также автономные сосудистые конструкции были размещены на расширяемом баллоне для моделирования циклической нагрузки, которую испытывают коронарные артерии in vivo.

Универсальность и многогранные возможности этого метода изготовления должны дать пользователям больший контроль для работы с различными биочернилами и клетками конкретных пациентов. «В конечном итоге мы надеемся, что эти биомиметические сосудистые конструкции помогут в будущих исследованиях механистического понимания ССЗ, а также станут моделями для оценки терапевтических вмешательств», — пояснил доцент Мичинао Хашимото.

Статья опубликована в журнале Small.