Введение: обещание сосудисто-биопечатных тканей

Биопечать преобразовала тканевую инженерию, позволив создавать трехмерные конструкции, которые точно повторяют архитектуру и функцию нативных тканей человека. Однако без функциональной сосудистой сети — капилляров, артериол и венул — инженерные ткани остаются ограниченными тонкими, сосудистыми слоями, которые быстро поддаются гипоксии и некрозу. Способность биопечати васкуляризованных моделей тканей стала важной вехой, открывая новые возможности в разработке лекарств, моделировании заболеваний и, в конечном счете, регенерации органов. В этой статье исследуется текущее состояние биопечати для создания васкуляризированных тканей, технические препятствия преодолены и многообещающее будущее этой технологии.

Что такое биопечать?

Биопечать — это процесс производства добавок, который откладывает живые клетки, биоматериалы и факторы роста в точных пространственных структурах для создания тканевых структур. В отличие от обычной 3D-печати, в которой используются пластмассы или металлы, в биопечати используются биоинки — вязкие составы, содержащие жизнеспособные клетки, суспендированные в гидрогелях, компонентах внеклеточного матрикса или других биосовместимых материалах. Принтер может экструдировать, струйные или лазерные передачи этих биоинков слой за слоем, позволяя исследователям создавать сложные формы с плотностью клеток, приближающейся к плотности естественных тканей.

Существует несколько способов биопечати:

  • Биопечать на основе экструзии: непрерывное осаждение накала, подходящее для высокой плотности клеток и больших конструкций.
  • Биопечать струйных струй : на основе капель, что обеспечивает высокое разрешение, но более низкую жизнеспособность клеток в течение длительного времени печати.
  • Лазерная биопечать: использует лазерные импульсы для переноса клеток из донорской ленты, обеспечивая точность микрона.
  • Биопечать на основе стереолитографии: фотополимеризация биоинков слой за слоем, идеально подходит для сложных архитектур.

Каждая технология имеет компромиссы в разрешении, пропускной способности и совместимости клеток, но все они способствуют достижению общей цели изготовления функциональных тканей.

Критическая проблема сосудообразования

Природные ткани полагаются на обширную капиллярную сеть для доставки кислорода и питательных веществ при удалении метаболических отходов. В инженерных тканях отсутствие такой сети приводит к пределу диффузии примерно 100-200 микрометров - помимо этого, клетки в ядре умирают. Эта «проблема васкуляризации» исторически предотвращала создание толстых, метаболически активных тканевых конструкций для клинического использования.

Ранние попытки васкуляризации каркасов включали посев эндотелиальных клеток на предварительно сформированные каналы или индуцирование ангиогенеза через высвобождение фактора роста. Однако эти методы часто производили нерегулярные, плохо перфузированные сети. Биопечать предлагает более контролируемый подход: она может непосредственно узорить эндотелиальные клетки и поддерживающие клетки (например, перициты, клетки гладкой мышцы) в заранее заданные геометрии, создавая иерархические сосудистые деревья, которые имитируют естественные ветвящиеся структуры.

Ключевые методы биопечати для васкулирования

Жертвенные биоинки

Одна из наиболее успешных стратегий использует жертвенные материалы, которые печатаются как временный шаблон для сосудистых каналов. После того, как конструкция сшивается и стабилизируется, жертвенные чернила удаляются (например, путем растворения, нагрева или ферментативного пищеварения), оставляя после себя перфузируемые полые трубки. Обычно используемые жертвенные чернила включают Pluronic F-127, желатин и углеводное стекло. Этот метод был использован для создания патентных сосудистых сетей в моделях сердечной, печени и почечной ткани.

Прямая коаксиальная экструзия

Коаксиальные сопла позволяют одновременно экструзировать биоинкер (содержащий эндотелиальные клетки) и биоинкер оболочки (поддерживающий матрицу). По мере печати конструкции материал ядра может быть избирательно сшит или удален, создавая сосудоподобный канал, выстланный эндотелиальными клетками с самого начала. Этот метод дает патентные микрососуды, которые могут выдерживать физиологические скорости потока.

Многосопловая и микрофлюидная биопечать

Современные биопринтеры, оснащенные несколькими печатными головками, могут откладывать различные типы клеток и материалы за один сеанс. Например, одно сопло может печатать объемную ткань с гепатоцитами, в то время как другое печатает сосудистую сеть с эндотелиальными клетками и клетками гладкой мышцы. Микрофлюидные печатные головки дополнительно позволяют смешивать биоинки в режиме реального времени, создавая градиенты факторов роста или внеклеточных матриксных компонентов, которые определяют созревание сосудов.

Биопечать в ситу

Для регенеративных применений, in situ биопечать откладывается клетки и биоматериалы непосредственно в место дефекта. При сочетании с сосудистой визуализацией (например, из КТ-ангиографии) принтер может заложить специфичный для пациента сосудистый шаблон, который интегрируется с кровообращением хозяина после имплантации. Этот подход все еще экспериментальный, но многообещающий для реконструктивной хирургии.

Материалы и биоинки для сосудистой конструкции

Выбор биоинки имеет решающее значение для достижения как печатаемости, так и сосудистой функции. Идеальные биоинки должны поддерживать жизнеспособность клеток, обеспечивать адекватную перекрестную сшивку и разрушаться со скоростью, соответствующей ремоделированию тканей. Общие компоненты биоинки включают:

  • Гелатинметакрилат (GelMA): фотосшиваемое желатиновое производное, поддерживающее адгезию и пролиферацию эндотелиальных клеток.
  • Альгинат : ионно-сшитый полисахарид, который обеспечивает быструю гелирование и высокую печатаемость, часто смешивается с другими материалами для улучшения совместимости клеток.
  • Гиалуроновая кислота: нативный компонент внеклеточного матрикса, который способствует ангиогенезу и создает гидратированную микросреду.
  • Фибрин: натуральная матрица, образованная после тромбин-опосредованной полимеризации, обычно используемая в моделях васкуляризированной ткани из-за ее проангиогенных свойств.
  • Децеллюляризированный внеклеточный матрикс (dECM): полученный из нативных тканей, биоинки dECM сохраняют биохимические сигналы, которые поддерживают образование сосудов и тканеспецифическую дифференцировку.

Эндотелиальные клетки, используемые в биоинках, могут поступать из эндотелиальных клеток пуповинной вены человека (HUVECs), индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, полученных из эндотелиальных клеток, или микрососудистых эндотелиальных клеток. Поддерживающие типы клеток, такие как перициты или мезенхимальные стволовые клетки, часто совместно депонируются для стабилизации зарождающихся сосудов и содействия созреванию.

Применение сосудисто-биопечатных моделей

Открытие лекарств и токсикология

Модели сосудистой ткани обеспечивают более физиологически релевантную платформу для тестирования фармацевтических препаратов, чем традиционные 2D культуры. Препараты должны пересекать эндотелиальный барьер для достижения целевых тканей, а наличие перфузионной сосудистой сети позволяет исследователям изучать транспорт, метаболизм и токсичность в динамичной среде. Например, биопечатные модели печени с интегрированными синусоидальными структурами использовались для более точного прогнозирования лекарственно-индуцированной травмы печени, чем статические сфероидные культуры.

Моделирование болезней

Включая клетки, полученные от пациентов, биопечатные васкуляризированные конструкции могут рекапитулировать фенотипы, специфичные для заболевания. Например, микроокружения опухолей были биопечатаны раковыми клетками, эндотелиальными клетками и иммунными клетками для изучения ангиогенеза, метастазирования и ответа на антиангиогенную терапию. Аналогичным образом васкуляризированные модели заживления диабетических ран позволяют исследователям исследовать нарушение формирования сосудов и тестировать проангиогенные методы лечения.

Регенеративная медицина

Конечная цель состоит в том, чтобы производить имплантируемые, васкуляризированные ткани и органы. Биопечатные васкуляризированные костные трансплантаты, заменители кожи и миокардные пластыри были протестированы на доклинических животных моделях. Например, биопечатный сердечный пластырь, содержащий прочную сеть коронарных сосудов, улучшил выживаемость и функцию при имплантации в инфарктные крысиные сердца. Проблемы остаются в масштабировании до органов размером с человека, но прогресс стремителен.

Текущие ограничения и будущие направления

Несмотря на впечатляющие достижения, необходимо преодолеть несколько препятствий, прежде чем васкуляризированные биопечатные ткани станут обычными клиническими инструментами:

  • Резолюция против масштаба: печать капилляров диаметром 5-10 мкм над конструкциями сантиметрового масштаба остается сложной. Большинство современных систем достигают 50-500 мкм люменов, которые по-прежнему на порядки больше нативных капилляров.
  • Долгосрочная стабильность: биопечатные сосуды часто теряют целостность после нескольких недель в культуре из-за ферментативной деградации, сокращения клеток или отсутствия надлежащих механических сигналов.
  • Интеграция с сосудистой системой хозяина: при имплантации печатная сеть должна анастомозировать с циркуляцией пациента для достижения быстрой перфузии — процесс, который непредсказуем и часто неполный.
  • Стандартизация и одобрение регулирующих органов: состав биоинки, параметры печати и контроль качества широко варьируются, что затрудняет перевод на клинические испытания.

Новые решения включают использование передовые стратегии фотополимеризации , которые могут достигать разрешения суб-10 мкм, включение ангиогенных факторов роста в пространственно управляемые градиенты и развитие самоорганизующихся биоинков , которые позволяют эндотелиальным клеткам спонтанно образовывать капиллярные сети после печати. Машинное обучение также применяется для оптимизации моделей печати и прогнозирования созревания сосудов.

Заглядывая в будущее, сближение биопечати с технологией орган-на-чипе может привести к миниатюрным васкуляризированным моделям тканей человека, которые могут быть использованы для высокопроизводительного скрининга. Между тем, мечта о биопечати полностью функционального, трансплантируемого человеческого органа — в комплекте с иерархической сосудистой системой — больше не является научной фантастикой, а долгосрочной целью, активно преследуемой лабораториями по всему миру.

Заключение

Способность создавать модели васкуляризованных тканей с помощью биопечати представляет собой сдвиг парадигмы в тканевой инженерии. Выходя за рамки простых аваскулярных конструкций, исследователи теперь могут создавать ткани, которые выживают, функционируют и ведут себя больше как родные органы. От тестирования лекарств до регенеративных имплантатов приложения обширны. Продолжение инноваций в разработке биоинков, разрешении печати и культуре перфузии будет иметь важное значение для реализации полного потенциала этой трансформационной технологии. По мере созревания области васкуляризированные биопечатные ткани, несомненно, станут краеугольным камнем как биомедицинских исследований, так и клинической терапии.

Читать далее →